核电站与火电站相比，机械设备在材料的选择上除了考虑一般工业安全之外，还需要考虑万年一遇的地震等极端情况，滨海核电站还需考虑台风和盐雾腐蚀，最特殊的方面是需要考虑电离辐射。核电站反应堆产生和包容着巨大的放射源，核燃料在堆芯实现链式核裂变反应，释放出核能，同时释放出中子、质子、重氢核等产物及α、β、γ、X等射线。

　　核能在转换成电能的过程中，非正常工况下，放射性物质可能会被带到其他相关的系统和设备中，相关设备就可能受到电离辐射污染。由于辐射会引起非金属材料的老化变性，因此，保证核级设备在核电厂的整个寿期(40～60年)内，在各种预期的运行和事故工况下、在内部和外部事件的作用下，都能可靠地动作和运行，履行其规定的安全功能，环境鉴定就成为了验证核级设备满足使用性能要求的手段之一。环境鉴定包含很多项目，其中的辐照老化即辐照性能鉴定是必需、特殊而又极其重要的一项。

一、常见射线

　　环境鉴定就是模拟核电厂寿期的环境条件，考核设备能否始终履行其安全功能，核安全级设备的辐照老化环境鉴定是保证设备安全和稳定运行的基础。

　　放射性元素(铀238、镭226等)从不稳定的原子核自发地放出射线而衰变形成新的元素，这种现象称为放射性，也叫电离辐射。电离辐射是一种可以把物质电离的辐射，电离辐射对生物是危险的，通常对非金属材料也会产生劣化效应。并不是所有的辐射都是电离辐射，比如电磁辐射中光学光谱区的可见光和红外线、波谱区的微波和无线电波就不是电离辐射。电磁辐射的另一个通俗名字叫电磁波，高能量(高频率)电磁辐射(γ射线、X射线等)是电离辐射，只有这部分电磁辐射是危险的。同时由于这种电磁波的波长极短，可通过原子间空隙，因而可以穿透物体。射线的释放其本质都是能量和粒子的放射。各种粒子的穿透本领和电离作用是不同的：α粒子(氦原子核)虽然只能穿透几厘米的空气，但是电离能力最强；β电子或正电子能穿透几毫米的铝，电离能力较弱；γ光子能穿透几毫米至几厘米的铁，电离能力最弱。

二、需要辐照鉴定的非金属材料及耐辐照材料的选取

 　　我国具有完整自主知识产权的第3代核电机组华龙一号的设计基准很高，在辐照剂量考虑上，核电站反应堆厂房外1 000h设计基准事故累计辐照剂量为4×104Gy，反应堆厂房 1 000h设计基准事故累计辐照剂量为 6.5×105Gy。即使是正常运行，核岛厂房辐照控制区中的人员禁止进入区60年累积剂量值也高达2.1×105Gy。虽然易损件并不完全要求达到60年设计寿命，为了减少更换和维护的工作量，必须充分考虑非金属材料的辐照劣化，即非金属材料由环境老化过程引起的分子结构轻度衰变后仍具有适当性能。需要进行耐辐照试验的非金属材料有油漆、润滑脂、密封橡胶、电缆（绝缘层、保护层）和风侧软接等。这些材料主要分布在组合式空调箱的各个部件中，整理如表1。

表1   空调中的非金属材料分类

　　由以上统计资料可知，耐辐照试验的非金属材料以塑料和橡胶类的应用最为广泛。根据工程经验，常用耐辐照塑料有聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)等，常用耐辐照橡胶有三元乙丙橡胶(EPDM)、氯丁橡胶(CR)、硅橡胶(MVQ/MPVQ)、丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)等。非金属材料实际应用中会受到机械应力、湿(热)、辐照、压力、温度、工艺流体介质以及化学添加物等联合作用，需要充分考虑材料的内、外部条件。如用于辐照控制区的电机中的油封材料，不仅要考虑该辐射分区的辐照剂量，还要考虑较高的使用温度以及具备耐油性，这时，丙烯酸酯橡胶(ACM)、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)就是不错的选择。同一通用材料类别中的耐辐照非金属材料，因供应商不同，其劣化特征可能有差异，甚至不具备耐辐照的特性。应用于安全有关机械设备中起压力边界作用或以支持机械设备安全功能的非金属材料，必须进行鉴定，以验证其满足相关技术条件。鉴定多采用试验法，典型的试验顺序为：热老化、辐照老化和运行老化（机械磨损）。

三、 辐照试验室(装置)及辐照试验

　　γ外照射是核电厂主要的辐射形式，所以笔者选取和研发新型耐辐照材料主要针对γ射线。

 “除非你能证明它是安全的,否则它就是不安全的。”耐辐照非金属材料必须用辐照试验来验证其耐辐照性能。用正常照射率使非金属物项达到其寿期末的状态常常是不现实的，因而允许采用高剂量率、短辐照时间的加速辐照。辐照试验用的源通常有60CO-γ放射性源、137Cs放射性源、加速器产生的射线束、高通量工程试验反应堆卸料元件等。核电设备辐照老化试验鉴定一般采用γ射线，γ射线源采用60CO核素或高通量工程试验反应堆卸料元件围成的辐照场。目前工程中用的最多的是60CO-γ放射性源，见表2。

表2  试验单位及其辐照装置

　　用60CO-γ射线辐照老化来产生材料的辐照劣化，同时须保证试验辐照劣化至少与待鉴定非金属实际使用条件下的辐照劣化同样严重。但最大照射率有限制，以避免材料有过分的温升和由此导致的非典型的材料性能变化。

　　γ射线是放射性同位素蜕变时放射出来的一种波长极短的电磁波，它和物质的作用类型主要有3种[6]:①光电效应；②康普顿—吴有训效应；③电子对产生效应。见表3。

表3  γ射线与物质相互作用的主要过程

　　γ射线通过3种效应与物质相互作用，电离产生的电子、离子以及激发产生的激发分子，都是不稳定的，将迅速地通过化学键断裂、或离子分子反应而引起聚合物分子结构的变化，包括交联脆化、氧化降解，产生共轭双键和气体挥发物，使机械强度下降。

四、耐辐照性能分析

　　由于一般聚合物在辐照作用下产生电离或激发等反应后，进一步发生以下化学反应：大分子间由辐照引发的交联反应、辐照引发的降解反应、氧化反应、产生气体产物、其他如异构化等，这些反应在不同的反应速率下发生的程度不同，最终的结果是聚合物材料的分子量愈来愈小，甚至失去聚合物的性质。

　　根据贝特(Bethe)从量子理论导出的能量损失公式，通常认为原子序数大，密度大的重金属或重金属化合物作为防辐射材料或耐辐射材料的添加材料效果较好，目前常用的防辐射物质有金、铅、钨、钡、铜、铁、铋等及其化合物氧化铅、钨酸铅、硫酸钡、氧化铁等。因此上文提到的用于核电和核工程的耐辐照橡胶和塑料已不是单纯的某一种材料，而是多种组分的共聚物。

　　橡胶、塑料类高分子材料本体与某些聚合物共聚，其中的辐照添加剂和抗氧剂能有效地使γ射线的破坏得到抑制，可以降低聚合物分子间力受破坏的程度，减少局部C-C键因受激发而造成的链断裂，使核环境下聚合物的解聚反应明显减速。如苯环是由共轭π键组成，它的π电子是非定域的。辐照时苯环吸收的能量虽然足以使单个键断裂，但是由于能量很快在整个分子链上重新分布，不致集中在某个键上，而且因为6个π电子形成的共轭，使发射光的效率增高，或使碰撞诱导衰减过程效率提高，所以表现出很好的辐照稳定性，辐照电离效应相对较弱，因此含苯环的聚合物十分稳定，可以降低核辐射的降解作用，多用于塑料的耐辐照交联。因此橡塑类与苯环化合物共聚就是耐辐照研发配方中的一个热门方向。

　　玻璃纤维的化学成分按网络形成体、网络外体及中间体分类的不同，对纤维的耐辐照性能起着不同的作用。用于滤纸的玻璃纤维其纵、横向强度主要取决于微纤维玻璃棉纤维之间的相互缠绕及粘结剂。辐照将导致辐照肿胀和辐照生长等微观结构的变化, 通常通过引入高离子场强元素,以增强玻璃的网络密实度、玻璃密度,改善其耐辐照性能。

　　用波数(σ)或波长(λ)为横坐标，用透光率(Transmittance，T%)为纵坐标作图，可得到红外吸收光谱图。红外光谱分析常用于分析润滑脂辐照前后样品的差异。利用红外光谱中红外吸收曲线的峰位、峰强以及峰形判断化合物的官能团，确定化合物类别。如图1所示，某润滑脂红外光谱分析辐照前后两者主要吸收峰位基本相符，表明经辐照后润滑脂化学结构并未发生明显改变，再结合辐照前后外观和测得的最大无卡咬负荷、工作锥入度、滴点等理化指标无明显变化，可以判定该润滑脂满足辐照要求。

图1   某润滑脂辐照前后红外光栅光谱(T-σ曲线)

五、结语

　　非金属材料除了耐辐照要求外，还需满足机械性能、电绝缘性能、耐低温性、耐化学性等中的一种或几种，以及低烟、无毒、阻燃、抗氧化等安全要求，见表4。

表4   非金属材料耐辐照性能以外的检测项目

　　高分子材料构成一般都含基体材料、混合溶剂(如交联剂、活性剂等)、功能填料(如抗辐照剂、阻燃剂、抗氧剂等)，聚合(复合)材料的组分设计是决定其物理和化学性能的主要因素，生产工艺是耐辐照材料性能实现的关键，配方中的组分在增强某一性能时会削弱其他性能，具有互相牵制作用，产品开发中须经过反复试验才能找到合理配方以使其综合性能达至最佳。

　　此外，还应考虑实际使用条件下的低剂量率比起鉴定时的高剂量率破坏性更大的可能性。因此，还需关注工程应用经验的反馈，以最终判定其综合性能的良莠。