基于Ashby图谱的辐射屏蔽材料优化选择：理论创新与工程应用

研究人员针对传统辐射屏蔽材料选择缺乏系统性方法的问题，开发了基于Ashby图谱的优化策略，通过重构辐射传输方程，建立了材料性能指标M1 和M2 ，筛选出金属氢化物、硼化物等非传统材料，并验证了钽在辐照下的性能增强效应。该方法为核能、航空航天等领域提供了高效设计工具。

　　

在核能与航空航天领域，辐射屏蔽材料的优化选择长期依赖经验性方法，缺乏系统性评估标准。传统设计常局限于已知材料（如钨、碳化硼），而忽略潜在更优的非传统候选材料。随着小型模块化反应堆（SMR）、聚变堆和深空探测任务的发展，对轻量化、高效能屏蔽材料的需求日益迫切。例如，NASA的Kilopower太空堆采用LiH屏蔽，但缺乏全面性能验证；聚变堆中心柱屏蔽材料历经二十年迭代才确定钨硼化物方案。这种低效的试错过程凸显了建立普适性材料选择方法的必要性。

澳大利亚新南威尔士大学的研究团队在《Materials Today》发表的研究中，创新性地将材料选择工程中的Ashby图谱法引入辐射屏蔽领域。通过重构Boltzmann传输方程的扩散近似解，团队首次推导出与几何解耦的宏观衰减系数Λ，并建立微观衰减系数λ=NΛ，形成可量化比较的材料性能指标M₁
=Nλ（体积优化）和M₂
=λ/M（质量优化）。研究整合了多群中子截面数据（TENDL-21库）、核嬗变模拟（FISPACT-II）和蒙特卡罗验证（OpenMC），构建了涵盖金属、氢化物、硼化物等5类材料的数据库。

关键方法包括：1) 基于NJOY21处理核截面数据，计算平均散射余弦μˉ、kerma系数k和位移能T；2) 采用DEMO聚变堆和Kilopower快堆中子能谱作为输入条件；3) 开发四类权重因子（α_g
^φ
、α_g
^k
、α_g
^T
、α_g
^σ
）以区分不同损伤机制；4) 通过1921组蒙特卡罗模拟验证指标可靠性（R²
=0.972）。

研究结果部分：

1. 材料选择图表显示：对于聚变堆YBCO超导磁体屏蔽（空间约束），钽/钨的氢化物和硼化物在M₁
   ^k
   （热沉积优化）指标上表现最优，其高原子密度和(n,2n)非弹性散射增强衰减；而对Si芯片屏蔽（质量约束），硼烷(B_x
   H_y
   )因低摩尔质量和硼的高吸收截面超越传统LiH方案。

2. 时间演化分析揭示：含硼材料因¹⁰
   B(n,α)反应快速损耗而性能衰减，而钽基材料因¹⁸¹
   Ta→¹⁸²
   Ta（半衰期114天）的嬗变链形成，使¹⁸²
   Ta的热中子截面提升3个数量级，屏蔽性能随辐照增强。

3. 各向异性散射修正：引入Elaloufi-Carminati的〈g₀
   〉项，使扩散近似适用于强吸收/各向异性介质，解决了传统方法在高能中子散射中的偏差问题。

结论指出，该方法将材料筛选周期从二十年缩短至数天，首次实现：1) 基于目标材料损伤机制（位移/嬗变/热沉积）的定制化屏蔽设计；2) 发现钽的辐照增强效应等反直觉现象；3) 为IAEA安全原则中的"最优化防护"提供量化工具。研究为紧凑聚变堆、深空反应堆等前沿领域提供了材料创新范式，其框架可扩展至光子、带电粒子屏蔽设计。