辐射对硼酸盐玻璃固定化性能的影响：光学、热学及辐射屏蔽特性的优化研究

为应对核废料安全封存难题，研究人员通过掺杂CdO（0-45 mol%）改良钠硼酸盐玻璃基质，系统评估了γ射线辐照（25-50 kGy）对材料光学带隙（Eg ）、密度及辐射屏蔽性能的影响。研究发现，CdO含量提升促使BO3 向BO4 转化，显著增强材料密度与γ射线衰减系数（45 mol%样品最优），并通过FLUKA-MC模拟验证了其辐射防护潜力，为高放射性废物（HLW）固定化提供了新型玻璃基质设计方案。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，核能利用产生的放射性废物处置成为关键挑战。传统固化材料如水泥存在辐射稳定性差、易化学降解等问题，而铅基材料虽具高屏蔽性能却面临毒性限制。硼酸盐玻璃因其独特的[BO₃
]/[BO₄
]结构可调性及化学稳定性，被视为理想候选基质，但如何通过组分优化同步提升其辐射耐受性与屏蔽效能仍需深入探索。

为解决这一难题，来自中国的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表研究，设计了一系列CdO掺杂（0-45 mol%）的钠硼酸盐玻璃（3MgO-3ZnO-19Na₂
O-(75-x)B₂
O₃
-xCdO），系统考察了γ辐照剂量（25/50 kGy）对材料多维度性能的影响。研究采用熔融-淬冷法制备玻璃样品，通过密度测定、UV-Vis光谱、FTIR分析表征结构演变，结合Phy-X/PSD和FLUKA-MC模拟计算辐射屏蔽参数，并测试热膨胀系数评估热稳定性。

密度与结构演变
随着CdO含量增加，玻璃密度从2.68 g/cm³
（未掺杂）升至5.12 g/cm³
（45 mol%），归因于Cd²⁺
作为网络修饰剂促使BO₃
三角体向BO₄
四面体转化，形成更致密结构。γ辐照后密度进一步增加，表明辐射诱导网络重构。

光学特性调控
UV光谱显示240 nm和380 nm特征峰，对应Cd²⁺
电子跃迁。辐照导致吸收峰强度降低，但CdO掺杂使光学带隙（E_g
）从3.25 eV降至2.45 eV，折射率与介电常数同步提升，证实材料电子结构对辐射/组分双重响应的可调性。

辐射屏蔽性能
45 mol% CdO样品在0.662 MeV（Cs-137）γ射线下的线性衰减系数（μ）达0.183 cm^-1
，较未掺杂样品提升300%。模拟显示该组分对Co-60（1.33 MeV）的半值层（HVL）仅需4.8 cm，且快中子移除截面（FNRCs）稳定在0.01095 cm^-1
，证实其多粒子协同屏蔽能力。

热稳定性验证
热分析表明所有样品热膨胀系数低于8×10^-6
/K，CdO掺杂未显著影响玻璃转变温度（T_g
），满足长期热稳定性要求。

该研究创新性地通过高浓度CdO掺杂实现硼酸盐玻璃"结构致密化-辐射稳定性-屏蔽效能"的协同优化，突破传统玻璃基质15% CdO的掺杂极限。所开发的45 mol% CdO玻璃不仅具备γ/中子综合屏蔽能力，其辐射诱导结构重构特性更为核废料长期贮存中的自修复机制研究提供新思路。研究成果为高放废物（HLW）固定化材料设计建立了成分-性能关联模型，对推动核废料安全处置技术发展具有重要工程价值。