充压氙气的镍铬70/30和镍钼70/30闭孔金属泡沫的伽马射线屏蔽性能

《Applied Radiation and Isotopes》：Gamma-ray shielding performance of pressurized xenon-filled Ni–Cr 70/30 and Ni–Mo 70/30 closed-cell metal foams

　　

- 提出了填充加压氙气的镍铬泡沫和镍钼泡沫，用作伽马射线屏蔽材料。
- 将氙气压力视为一种以密度为驱动的伽马射线衰减因子。
- 采用 GEANT4、FLUKA 和 WinXCom 进行多代码伽马射线分析。
- 评估了复合泡沫–气体结构在核工业和航天领域伽马射线屏蔽中的适用性。

引言

核能系统的广泛普及以及深空探测任务规模的扩大，使对能够保护人员、设备以及敏感仪器免受电离辐射的先进辐射屏蔽材料的需求日益迫切。核反应所产生的辐射对人体健康和设备具有危害（Bin 等，2021），而未来的深空任务以及国际空间站运行中的辐射环境，将主要由银河宇宙线中的高电荷、高能量离子主导（Wilson 等，2000b）。传统屏蔽材料（铅、钨和混凝土）数十年来一直作为辐射防护的基础，但每一种材料都存在显著的局限性，限制了其在对重量敏感以及多功能应用场景中的使用。混凝土因其成本低、结构能力强且易于加工而被广泛使用；然而，与高原子序数金属屏蔽材料相比，其有效原子序数和密度相对较低，通常需要更大的厚度才能达到可比的伽马射线衰减效果。铅能够提供紧凑的伽马射线屏蔽，但存在毒性和环境问题；钨则兼具优异的衰减性能和较高密度，同时材料成本也相对高昂。这些限制促使人们不断寻求轻质、多功能的屏蔽材料，以便在不付出传统方案所带来的重量代价和环境危害的情况下实现有效的辐射衰减。

金属泡沫凭借其独特的低密度、高比表面积以及结构完整性，已成为新一代辐射屏蔽材料的理想候选者。在需要减重的应用场景中，金属泡沫具有显著优势，因此非常适合航空航天、汽车和建筑行业（Hassan and Alnaser, 2024）。闭孔复合金属泡沫具备传统辐射屏蔽材料无法实现的性能，包括适用于结构应用的低密度和高强度、优异的热隔离性能以及卓越的吸能能力（Rabiei, 2016）。近期研究表明，复合金属泡沫在核废料桶及其他辐射敏感结构中具有潜在应用价值（Marx and Rabiei, 2017），有研究指出泡沫金属具有高的比强度和高的比面积（Zhou 等，2022）。当开孔镍泡沫被嵌入屏蔽复合材料时，力学性能、热导率以及二次伽马射线屏蔽能力可得到显著提升（Zhang 等，2018）。金属泡沫的多孔结构可实现一种伽马射线屏蔽策略：金属基体提供光子衰减和结构支撑，而闭孔空腔则容纳加压氙气作为额外的光子相互作用相。

近期关于轻质聚合物屏蔽的研究表明，增材制造与填料选择能够与传统的屏蔽概念形成互补。例如，一种以钆氧化物填充的 PLA 3D 打印围裙展示了如何制造适用于诊断能量辐射场的无铅防护结构（Ogul 等，2024b）。通过 3D 打印与溶胶–凝胶法制备的稀土氧化物填充 ABS 的对比研究，表明制造路线可与屏蔽性能及材料特性一并评估（Ogul 等，2024a）。稀土填充 ABS 丝材表明，在增材制造样品中可实现通过成分调控来调节伽马射线衰减（Gultekin 等，2023）。以氧化铋和氧化钛增强的 ABS 进一步体现了实验测量、理论计算与蒙特卡洛模拟在伽马射线衰减评估中的综合应用（Gultekin and Ogul, 2023）。含硼和锡的聚酯复合材料也表明填料比例会影响伽马射线屏蔽特性；该研究中所报道的中子结果仅作为背景信息，不属于本研究的范畴（Ogul 等，2022）。

以稀有气体、尤其是氙气对闭孔金属泡沫进行加压，是一种通过金属衰减与气体衰减机制的协同组合来提升辐射屏蔽性能的创新方法。氙气的原子序数较高（Z = 54）、电子密度大，当被限制在金属泡沫闭孔结构中的高压状态下时，能够有效衰减伽马射线。这种复合结构利用金属基体的伽马射线屏蔽性能，同时在蜂窝空腔内引入额外的衰减介质。闭孔结构的设计旨在使气体在工况条件下得以保持，从而在长时间任务或反应堆运行周期内维持持续的屏蔽性能。尽管针对氙气加压金属泡沫系统的直接实验数据仍然有限，但这一概念建立在已确立的气相辐射相互作用原理以及金属泡沫结构在辐射环境中已展现出的多功能性基础之上。

镍基合金长期以来因其良好的力学性能组合、耐腐蚀性和耐辐射性能而受到认可，使其成为核工业和航天系统中结构及屏蔽应用的理想候选材料。镍基高温合金如 Inconel 600、718 和 725 已被用于辐射屏蔽性能评估，其中 Inconel 725 表现出优异的辐射屏蔽性能（Sriwongsa 等，2022）。含有镍、钛和钼的马氏体时效钢已被研究用于伽马射线屏蔽，Ni-Ti-Mo 成分显示出与标准马氏体时效钢可比的屏蔽性能，同时具备经济优势（Reda and Halfa, 2015）。在镍基成分中，Ni-Cr 70/30 与 Ni-Mo 70/30 合金尤为引人关注，因为其中高镍含量有助于结构韧性与耐腐蚀性能，而铬或钼的添加则能提升高温稳定性与力学性能。在这些氙气加压泡沫应用中选取上述特定合金成分，其原因在于需要在恶劣的辐射与热环境中平衡辐射衰减、结构完整性、可制造性以及长期稳定性。

在其他屏蔽系统中，也证实了伽马射线衰减与成分的相关性。含钼和硼填料的聚合物复合材料显示，填料化学组成的变化会改变屏蔽响应，这支持对钼贡献进行审慎评估，但并不等同于 Ni–Mo 合金（Ogul 等，2023）。淬火态 SS304 与 Incoloy 800H 的研究表明，在核工业环境中评估工程合金的辐射相互作用具有现实意义（Ogul 等，2025）。Cu–Ag 合金的测量进一步显示出对成分敏感的伽马射线衰减，以及实验、理论和模拟方法之间的一致性（Turhan 等，2022）。

合金层面的文献为选择 Ni–Cr 70/30 与 Ni–Mo 70/30 提供了以成分为基础的论据，但这并不意味着此前已经验证过加压氙气泡沫结构。镍基高温合金（包括 Inconel、Incoloy 以及新制备的高镍体系）展现出有用的伽马射线衰减性能，因为相对致密的高镍基体提供了光子相互作用的物质基础，同时保持了结构连续性；这些合金也与耐腐蚀、高温及耐辐射应用相关（Sriwongsa 等，2022；Ekinci 等，2021；Aygun and Aygün, 2023；Sayyed 等，2020；Aygün 等，2025）。钼的原子序数和密度均高于镍和铬，因此将其引入可提高 Ni–Mo 体系中对有效原子序数和伽马射线衰减的贡献；对 Ni–Ti–Mo 马氏体时效钢、Ni–Fe–Mo 磁性合金以及含钼高镍高温合金的研究均支持这一成分层面的论据（Reda and Halfa, 2015；Aygün 等，2025；Aygun and Aygün, 2021）。铬同样对光子衰减有所贡献，但其在 Ni–Cr 体系中的主要合金设计价值在于抗氧化、耐腐蚀性能以及高温结构稳定性，包括在 Alloy 617 中形成保护性富铬氧化膜（Aygun and Aygün, 2023；Archana 等，2021）。这种环境耐受性对于先进核系统尤为重要，因为结构材料可能暴露在高温和化学侵蚀条件下，使得高温氧化行为成为重要的补充选材标准（Us 等，2026）。因此，相关文献支持从成分与合金层面选择 Ni–Cr 和 Ni–Mo，而非支持本研究所考察的精确氙气填充闭孔构型。

本研究的主要创新在于：通过将 Ni–Cr 70/30 与 Ni–Mo 70/30 金属泡沫的闭孔孔隙作为加压氙气填充的主动伽马射线衰减相。根据已综述的文献，此前尚未系统评估过这些合金成分、70%–90% 孔隙率以及 1 到 100 atm 氙气压力的组合效应。因此，本研究将 GEANT4 与 FLUKA 的蒙特卡洛计算结果与 WinXCom/XCOM 数据进行了对比，用于评估所研究的伽马射线屏蔽参数。

本研究所开展的工作为计算研究，并仅限于伽马射线衰减。本研究并未对制造工艺可行性、氙气的长期留存、压力诱导的机械应力、制造缺陷，或辐射对泡沫结构造成的损伤进行实验验证。因此，结果应作为比较性计算预测进行解读，而非已验证的工程设计方案。

金属泡沫由连续的金属骨架和体积分数很高的开孔或闭孔孔隙构成。开孔泡沫包含相互连通的空腔，而闭孔泡沫则包含由金属壁包围的密封空腔（Rabiei, 2016）。本研究要求采用闭孔形式，因为它可以在金属基体提供结构支撑与主要伽马射线衰减通道的同时，保持加压氙气。

如图 1 所示，孔隙率、孔径分布和壁厚决定了泡沫密度、气体体积和力学完整性。工程化金属泡沫通常具有 40%–95% 的孔隙率。提高孔隙率会降低单位厚度下可用于衰减的金属量，但会创造出更多可供氙气占据的体积；不均匀的孔隙率会进一步降低衰减性能（Gedik and Bayta?, 2015）。因此，壁厚必须能够承受内部压力，同时不失去泡沫的材料减重优势。

伽马射线衰减取决于光子能量、元素组成和体积密度。低能区间以光电吸收为主，中能区间以康普顿散射为主，高能区间以电子对效应为主；因此高原子序数与高密度相有利于构建紧凑的屏蔽体（Zheng 等，2013）。加压氙气通过将原本衰减能力较弱的空隙体积转变为二次光子相互作用区域（通过提高氙气数密度），从而发挥作用。它并不能替代金属基体，因为即使在高压下，其密度仍远低于镍合金。因此，加压带来的优势是一种增量式增强，必须与足够的壁厚和长期气体留存能力相平衡（Rabiei, 2016；Zhou 等，2022）。

Ni–Cr 70/30 与 Ni–Mo 70/30 提供了互补的合金基体。镍提供耐腐蚀性、韧性和高温性能；铬侧重抗氧化，而钼则贡献更高的原子序数、强化效果以及在还原性环境中的耐受性（Sriwongsa 等，2022；Aygun and Aygün, 2023；Aygün 等，2025）。因此，这两种富镍基体保持了相似的结构基础，但在衰减能力和环境耐久性方面存在差异。可以预期 Ni–Mo 将提供更强的伽马射线衰减，而当抗氧化成为主导需求时，Ni–Cr 可能是更合适的选择。在孔隙率和氙气压力方面同时评估这两种合金，可以在不假定任一方案普遍优越的前提下捕捉到这种设计取舍。

章节摘要
闭孔金属泡沫结构

选择闭孔泡沫结构作为氙气辅助屏蔽的结构基础，是因为它将降低密度与用于储气的密封内部空间结合了起来。生产工艺必须生成被连续金属壁包围的独立蜂窝空腔，同时保持可控孔隙率、均匀孔径以及足够的壁厚以承受内部气体压力。在该构型下，孔隙率决定了减重程度和可用气体体积，孔径

结果与讨论

三个计算工具在全部 156 个共同的 MAC 数据点上的一致性进行了量化，结果汇总于表 3。FLUKA 与 WinXCom/XCOM 非常接近：其 MAPD 为 0.307%，最大 APD 为 1.171%。GEANT4 表现出更大的系统性偏差。相对于 WinXCom/XCOM，其 MAPD 和最大 APD 分别为 7.255% 和 10.345%；相对于 FLUKA，则分别为 7.439% 和 10.888%。因此，三个工具之间的一致性并不对等。缺乏一致的瑞利

研究空白与未来展望

综合现有制造方法、计算建模与辐射屏蔽性能方面的证据来看，氙气加压的 Ni–Cr 70/30 与 Ni–Mo 70/30 闭孔金属泡沫仍是一个具有巨大前景但直接验证有限的新兴屏蔽概念。最重要的研究空白涉及实验表征、压力相关的效应、可放大化的制造、长期服役稳定性，以及耦联的辐射–热–力学

结论

将填充加压氙气的闭孔 Ni–Cr 70/30 与 Ni–Mo 70/30 金属泡沫作为伽马射线屏蔽材料的这一概念，代表了应对在对重量敏感及多功能应用中提供有效辐射防护这一持续挑战的创新方法。这种泡沫–气体屏蔽策略利用了高原子序数金属基体与加压稀有气体填充之间的互补衰减机制，将固相的伽马射线衰减与

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利益冲突声明

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