Study of the properties of sustainable materials for shielding against ionizing radiations

在高能物理学领域，科学家们建造巨大的机器来碰撞粒子，以研究宇宙的基本组成部分。这些实验会产生强烈的电离辐射，这种能量足以破坏生物组织和电子设备。为了保障人员和机器的安全，研究人员必须用厚实的墙壁将这些实验包围起来，以阻挡辐射。几十年来，这些墙壁的标准材料一直是混凝土。它坚固、廉价且有效，但却要付出沉重的地球代价。混凝土的生产会释放大量的温室气体，并产生巨量的废物。随着科学界寻求建造更可持续的设施，一个关键问题随之而来：我们能否在不牺牲安全性的前提下，用对环境更友好的材料来取代混凝土块？

这个问题正是 SUSHI 项目的核心，该项目由法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的物理学家朱利安·法夫尔（Julien Faivre）领导。该项目正在研究可持续材料——特别是夯实原土（rammed raw earth）——是否可以作为抵御电离辐射的有效屏蔽层。夯实原土是一种古老的建筑技术，即将土壤压缩成坚实的块状。它被广泛用于建筑业，因为它来源广泛、生产所需的能量极低，并且可以回收利用。研究人员想要知道，这种平凡的材料是否能够抵御与现代混凝土相同的辐射威胁。为了查明真相，他们比较了光子（构成这些实验中很大一部分辐射的能量包）穿过混凝土块与穿过原土块时的表现。他们观察了材料的厚度、密度和化学成分如何影响其阻挡辐射的能力，涵盖了从低能光子到极高能光子的范围。

研究人员首先创建了两种材料的数字模型。对于混凝土，他们使用了水泥混合砂石的标准配方。对于原土，他们模拟了一种由沙子、砾石和粘土（作为天然粘合剂）组成的混合物。他们考虑到了原土具有多孔性且会吸收空气中水分的特性，因此在计算中加入了一小部分水，以反映现实世界的情况。随后，他们模拟了不同能量的光子如何与这些材料发生相互作用。目标是观察原土是否需要比混凝土显著更厚，才能提供同等的保护水平。

研究显示，对于这些实验中最常见的能量水平，材料的化学成分几乎没有影响。当光子的能量在一百万电子伏特左右时，它们主要通过一种称为康普顿散射（Compton scattering）的过程与物质发生相互作用。在这种相互作用中，光子从电子上反弹，损失一部分能量，但继续沿原路径前进。研究人员发现，在这个能量范围内，材料阻挡辐射的能力几乎完全取决于其密度和所含氢的数量，而不在于其由哪些特定类型的原子组成。由于原土的密度低于混凝土，因此它只需要更厚的体积就能完成同样的工作。计算表明，一个原土块需要比混凝土块厚约 20%，才能实现完全相同的辐射削减效果。这一差异在更高能量的范围内也保持一致，在这些能量下，光子会产生被称为电磁簇射（electromagnetic showers）的次级粒子级联。

情况在较低能量（低于十万电子伏特）时略有变化。在这里，一种称为光电效应（photoelectric effect）的不同相互作用占据了主导，即光子被原子完全吸收。在这个范围内，材料中特定原子的类型变得至关重要，且原土中水分的存在也变得更加显著。由于原土会吸收水分，原土块内的含水量会随季节变化。研究人员发现，虽然这种水分对高能辐射的影响微乎其微，但对于低能光子，它可能会使屏蔽效能改变高达 10%。然而，即便存在这些变化，原土在阻挡低能辐射方面仍然非常有效，其阻挡效果往往比阻挡高能辐射的效果更彻底。

为了确保数字模型的准确性，团队使用放射源和专用探测器进行了物理实验。他们测量了实际的再生夯实原土块在不同密度下的辐射透过量。这些现实世界的测试结果与他们的计算机模拟高度吻中，证实了他们的模型是可靠的。研究结论指出，密度是决定混凝土与原土作为屏蔽材料之间差异的主要因素。虽然原土需要多出 20% 的厚度，但它提供了一个极具吸引力的替代方案，其产生的排放更少，生产消耗的能量也更低。

研究结果表明，像夯实原土这样的可持续材料是高能物理设施中抵御电离辐射的可行选择。研究指出，这种权衡是直接的：用土块代替混凝土，只需增加一点墙体厚度。这种尺寸上的小幅增加，对于换取显著的环境效益而言，是一个可以接受的折衷方案。作者指出，尽管这些结果令人鼓舞，但仍需进一步研究以测试其他类型的辐射，并完善对这些材料随时间变化的行为的理解。目前来看，这项工作为构建下一代具有更轻地球足迹的物理实验提供了清晰的路径。