CN103578589A - 一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包覆体颗粒，具体涉及一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒。该中子毒物包覆体颗粒具有多层壳状结构，最外层壳状结构为在高温下可发生收缩并破裂的颗粒表层，颗粒的中心区域为具有高温胶化特性的掺混有中子毒物的颗粒毒物核心，在所述的颗粒表层与颗粒毒物核心之间设有一层或多层壳状结构的具有高温胶化特性的颗粒中间包覆层。在核反应堆堆芯熔毁的严重事故工况下，该中子毒物包覆体颗粒可通过专设系统由冷却剂携带注入堆芯，以使堆芯深度毒化，彻底避免受损堆芯重返临界。

Description

一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒
技术领域
本发明涉及一种包覆体颗粒，具体涉及一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒。
背景技术
核材料的临界安全是核安全的基石，是所有工艺、方法及系统必须确保的安全前提。无论处于任何工况，需要采取何种手段，最终付出多大代价，临界安全都必须得到保证，否则间歇或连续发生的核材料链式反应将造成无法估量的损失。本发明寻求制造一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，以期在核反应堆堆芯熔毁的严重事故工况下，有效地向反应堆堆芯注入中子毒物，并利用毒物颗粒的热附着特性实现中子毒物在反应堆堆芯长期可靠的驻留。元素钆具有自然界已知所有物质中最大的热中子吸收截面，具有强烈的反应性抑制作用，本发明采用含钆陶瓷体颗粒作为中子毒物成分，可以迅速实现堆芯深度毒化，彻底避免受损堆芯重返临界。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，保证核材料的临界安全。
本发明的技术方案如下：一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，具有多层壳状结构，最外层壳状结构为在高温下可发生收缩并破裂的颗粒表层，颗粒的中心区域为具有高温胶化特性的掺混有中子毒物的颗粒毒物核心，在所述的颗粒表层与颗粒毒物核心之间设有一层或多层壳状结构的具有高温胶化特性的颗粒中间包覆层。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，在满足工艺要求的条件下，所述的颗粒表层的厚度小于与颗粒体积相同的球体半径的15%。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，所述的颗粒毒物核心为球体，在满足工艺要求的条件下，颗粒毒物核心的半径大于与颗粒体积相同的球体半径的40%。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，当所述的颗粒中间包覆层为多层结构时，各层颗粒中间包覆层的胶化温度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐降低，各层颗粒中间包覆层的黏附强度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐升高。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，所述的颗粒表层的破裂温度高于与其相邻的颗粒中间包覆层的胶化温度，温差为10—60℃；所述的颗粒毒物核心的胶化温度低于与其相邻的颗粒中间包覆层的胶化温度，温差为10—60℃。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，所述的中子毒物为含有钆元素的陶瓷体颗粒。
进一步，如上所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其中，该包覆体颗粒的外轮廓为球形或椭球形或胶囊形。
本发明的有益效果如下：（1）包覆体颗粒中的中子毒物成分为钆元素，该元素具有自然界已知所有物质中最大的热中子吸收截面，具有强烈的反应性抑制作用，可以迅速实现堆芯深度毒化；（2）颗粒包覆层材质具有高温胶化特性，可以在进入堆芯高温区后发生胶化，粘附于堆芯燃料组件或结构上，实现中子毒物在反应堆堆芯长期可靠的驻留；（3）颗粒包覆层材质具有多样性，其胶化温度及黏附强度形成梯度，可以实现中子毒物附着过程中的热导向，使中子毒物更多地附着于堆芯热点位置，而这些热负荷最大的结构通常也存在更大的临界风险。
附图说明
图1为本发明所提供的包覆体颗粒结构示意图；
图2为钆（Gd）-157中子能量-中子微观截面曲线图；
图3为硼（B）-10中子能量-中子微观截面曲线图。
图中，1.颗粒表层、2.中间包覆层、3.中间包覆层、4.颗粒毒物核心、5.中子毒物颗粒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明涉及的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒外轮廓为球形、椭球形或胶囊形，颗粒具有多层壳状结构，颗粒中心区域为球体，球体材质中掺混中子毒物颗粒5。如图1所示，以球形外轮廓的包覆体颗粒为例，包覆体颗粒最外层壳状结构称为颗粒表层1，在满足工艺要求的条件下，颗粒表层1的厚度小于与包覆体颗粒体积相同的球体半径的15%，其材质在高温环境下将发生收缩，并导致颗粒表层1破裂。颗粒中心的球体区域称为颗粒毒物核心4，在满足工艺要求的条件下，颗粒毒物核心4的半径大于与包覆体颗粒体积相同的球体半径的40%，颗粒毒物核心4的材质具有高温胶化特性，其中掺混中子毒物颗粒5。颗粒表层1与颗粒毒物核心4之间有一层或多层壳状结构（图1中提供了两层结构），称为颗粒中间包覆层2、3，颗粒中间包覆层2、3由具有高温胶化特性的材质构成。
如图1所示，颗粒中间包覆层2、3为双层壳状结构，颗粒中间包覆层胶化温度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐降低，颗粒中间包覆层黏附强度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐升高。其中，颗粒中间包覆层开始发生胶化的温度称为颗粒中间包覆层胶化温度，其胶化后的黏附强度称为颗粒中间包覆层黏附强度。
颗粒表层破裂温度高于与其相邻的颗粒中间包覆层胶化温度（最高值），温差为10—60℃，颗粒毒物核心胶化温度低于与其相邻的颗粒中间包覆层胶化温度（最低值），温差为10—60℃。其中，颗粒表层破裂时的温度称为颗粒表层破裂温度，颗粒毒物核心开始发生胶化的温度称为颗粒毒物核心胶化温度。
如图2、图3所示，元素钆具有自然界已知所有物质中最大的热中子吸收截面，具有强烈的反应性抑制作用，钆-157的热中子微观吸收截面为硼-10的68倍。
如图1所示，中子毒物颗粒5为含有钆元素的陶瓷体颗粒，在堆芯高温环境中不溶于冷却剂，且具有化学稳定性。
在本发明的一个具体实施例中，颗粒表层1材料选用聚乳酸（PLA）；中间包覆层2材料选用壳聚糖（CS）；中间包覆层3材料选用聚乙烯醇（PVA）；颗粒毒物核心4材料选用聚乙二醇（PEG）；中子毒物颗粒5选用载有金属钆离子的羟基磷灰石纳米颗粒。
在本发明的另一个具体实施例中，颗粒表层1材料选用聚乳酸羟基乙酸（PLGA）；中间包覆层2材料选用壳聚糖（CS）；中间包覆层3材料选用聚乙烯醇（PVA）；颗粒毒物核心4材料选用聚己内酯（PCL）；中子毒物颗粒5选用载有金属钆离子的羟基磷灰石纳米颗粒。
上述材料热特性如下表所示：
Figure BDA0000393484130000051
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，具有多层壳状结构，其特征在于：最外层壳状结构为在高温下可发生收缩并破裂的颗粒表层（1），颗粒的中心区域为具有高温胶化特性的掺混有中子毒物的颗粒毒物核心（4），在所述的颗粒表层（1）与颗粒毒物核心（4）之间设有一层或多层壳状结构的具有高温胶化特性的颗粒中间包覆层（2、3）。
2.如权利要求1所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：在满足工艺要求的条件下，所述的颗粒表层（1）的厚度小于与颗粒体积相同的球体半径的15%。
3.如权利要求1所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：所述的颗粒毒物核心（4）为球体，在满足工艺要求的条件下，颗粒毒物核心（4）的半径大于与颗粒体积相同的球体半径的40%。
4.如权利要求1所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：当所述的颗粒中间包覆层（2、3）为多层结构时，各层颗粒中间包覆层的胶化温度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐降低，各层颗粒中间包覆层的黏附强度由颗粒表层向颗粒毒物核心方向逐渐升高。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：所述的颗粒表层（1）的破裂温度高于与其相邻的颗粒中间包覆层（2）的胶化温度，温差为10—60℃；所述的颗粒毒物核心（4）的胶化温度低于与其相邻的颗粒中间包覆层（3）的胶化温度，温差为10—60℃。
6.如权利要求1所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：所述的中子毒物为含有钆元素的陶瓷体颗粒（5）。
7.如权利要求1所述的具有热附着特性的中子毒物包覆体颗粒，其特征在于：该包覆体颗粒的外轮廓为球形或椭球形或胶囊形。
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