CN104103332B - 一种以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材及其制备方法，包括铝包壳和封装在铝包壳内的核废料，其特征在于：铝包壳选用铝材为单晶铝。本发明采用单晶铝制作嬗变靶材的包壳，包壳壳体和包壳盖均采用单晶铝制备，不存在晶界和由此产生的晶间腐蚀，使用寿命长，更加安全。

Description

一种以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材

技术领域

本发明涉及核废料处理工程中的核废料靶材，特别涉及通过中子诱发嬗变来缩短核废料半衰期的嬗变靶材，确切地说是利用单晶铝作为靶材包壳的靶材及其制备方法。

背景技术

半个世纪以来，由于核燃料循环和核武器的退役已产生了约数千吨的钚及其它放射性锕族元素，这些核废料的处理引起了世界范围的强烈关注。除了采用地质深埋，目前还没有妥善的方法来处理它们。问题是，有些核废料的寿命很长，达几百万年，如¹²⁹I的半衰期为1.57×10⁷年。在地下安全保存这些核废料长达几百万年是个很大的问题。长寿命高放核废物的嬗变技术是实现核能发展环境友好、和谐发展的核心技术，是一劳永逸的根治上述问题的方法。嬗变是中子俘获再β衰变，将长寿命裂变废料(如⁹⁹Tc，¹²⁹I和¹³⁵Cs)变成短寿命或稳定核素。例如，对于¹²⁹I来说，即利用中子诱发核废料¹²⁹I的嬗变，使其最终嬗变为稳定同位素¹³⁰Xe。

目前在对嬗变处置高放核废物的过程中，首先要将核废物制备成适合热中子嬗变环境的靶材。目前，制备嬗变靶材的方式主要有两种，一种是直接将核废料压制成块体，这种形式，靶材极易吸潮，并由此导致靶材溃散及污染嬗变设备；另外一种是将核废料直接封装于铝包壳之中。

铝及其合金具有以下非常独特的核性能，因而作为包壳，在核能工业上获得了广泛的应用：

①中子的吸收截面较小，仅比Be、Mg、Zr等金属大，而比其他金属的小得多；

②辐照感应放射能衰减快，高纯铝停止辐照后一周内就急剧下降；

③反应堆壁溅蚀小；

④175℃以下空穴率小，耐辐照等。

但是现有铝包壳采用的是多晶态的纯铝或多晶态的铝合金，其因存在晶界，在热中子环境中长期使用会产生晶间腐蚀的现象。

因此开发一种安全的、不会存在晶间腐蚀现象的核废料嬗变靶材包壳势在必行。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材及其制备方法，以使其不存在晶间腐蚀的现象。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材，包括铝包壳和封装在铝包壳内的核废料，其特点在于：所述铝包壳所用的铝材选为单晶铝。

所述单晶铝为单晶纯铝或单晶铝合金。

本发明以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材的制备方法，其特点在于按如下步骤进行：

首先分别将单晶铝加工成铝包壳的包壳壳体及与所述包壳壳体过盈配合的包壳盖；

然后将核废料放入包壳壳体中，将包壳盖在-40℃～0℃下冷冻10-120s；

最后将冷冻收缩的包壳盖置于所述包壳壳体中，室温下包壳盖膨胀至与包壳壳体过盈配合，达到密封效果，即得核废料嬗变靶材。

组成铝包壳的包壳壳体及包壳盖所用铝材皆为单晶铝。

多晶铝在核辐射嬗变中存在晶间腐蚀的问题，它是由晶界区与晶粒基体之间的电位差引起的。因此，凡是能降低这种电位差的措施，都能提高合金抗晶间腐蚀的能力。例如向纯铝中添加一定量的合金元素，但是这势必会影响材料的中子吸收截面和辐照感应放射能衰变速度。再如细化晶粒，合金的晶粒越细，抗晶间腐蚀的能力越高。但是在一定温度下长期使用，晶粒还是会缓慢长大。因此本专利采用单晶铝制作嬗变靶材包壳，铝包壳的包壳壳体及包壳盖均采用单晶铝制备，这样就不存在晶界和由此产生的晶间腐蚀。

另外，单晶铝采用常规焊接加工时，加热成液相和冷却固相过程中单晶铝会重新结晶，变成多晶铝。因此在装配时，包壳壳体和包壳盖的密封不宜采用热焊接方式，而是采用冷焊方式实施，即将包壳盖冷冻收缩后放入包壳壳体上，利用包壳盖自身的膨胀效果进行密封。

单晶铝可以为单晶纯铝，也可以是单晶铝合金，但当采用单晶铝合金时，在保障力学性能和加工性能的前提下，合金元素的选择应该以不增加中子吸收截面和衰变速率为佳，例如Al-1％Si合金。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用单晶铝制作嬗变靶材的包壳，包壳壳体和包壳盖均采用单晶铝制备，不存在晶界和由此产生的晶间腐蚀，使用寿命长，更加安全。

附图说明

图1为本发明核废料嬗变靶材的剖面结构示意图；图中标号：1a包壳壳体；1b包壳盖；2核废料。

图2为本发明实施例1所用单晶纯铝在车削加工成前后的衍射斑点图对照，可见车工加工没有破坏单晶状态；

图3为本发明实施例1和实施例2所加工的铝包壳的具体尺寸标注。

具体实施例

实施例1

如图1所示，本实施例核废料嬗变靶材包括铝包壳和封装在铝包壳内的核废料2，铝包 壳1选用铝材为单晶纯铝。

本实施例核废料嬗变靶材按如下步骤进行制备：

1、采用车削加工工艺，将单晶纯铝加工成铝包壳的包壳壳体1a及与包壳壳体1a过盈配合的包壳盖1b；图2为单晶纯铝在经步骤1车削加工前后拍摄的铝单晶的衍射斑点，图2中(a)为加工前，图2中(b)为加工之后，从图中可以看出，经过车削加工而成的铝包壳依然保持单晶态。

2、将核废料放入包壳壳体中，将包壳盖在0℃下冷冻120s，核废料体积占包壳壳体空腔体积的90％以内。

3、将冷冻收缩的包壳盖置于包壳壳体中，室温下包壳盖膨胀至与包壳壳体过盈配合，达到冷焊密封效果，即得核废料嬗变靶材。

实施例2

如图1所示，本实施例核废料嬗变靶材包括铝包壳和封装在铝包壳内的核废料2，铝包壳1选用铝材为单晶Al-1％Si合金。

本实施例核废料嬗变靶材按如下步骤进行制备：

1、采用车削加工工艺，将单晶Al-1％Si合金加工成铝包壳的包壳壳体1a及与包壳壳体1a过盈配合的包壳盖1b；包壳壳体与包壳盖为过盈配合。

2、将核废料放入包壳壳体中，将包壳盖在-40℃下冷冻10s，核废料体积占包壳壳体空腔体积的90％以内。

3、将冷冻收缩的包壳盖置于包壳壳体中，室温下包壳盖膨胀至与包壳壳体过盈配合，达到冷焊密封效果，即得核废料嬗变靶材。

如图3所示，实施例1和实施例2所加工的包壳壳体及包壳盖的尺寸见表1。其中a为包壳壳体的高度，b为包壳壳体的外径，c为包壳壳体的内径，e为包壳盖的高度，f为包壳盖的外径，g为包壳盖的内径。

表1

Claims (1)

1.一种以单晶铝为包壳的核废料嬗变靶材，包括铝包壳和封装在铝包壳内的核废料，其特征在于：所述铝包壳选用铝材为单晶铝；所述单晶铝为单晶纯铝或单晶Al-1％Si合金；所述核废料嬗变靶材的制备方法是按如下步骤进行：

首先分别将单晶铝加工成铝包壳的包壳壳体及与所述包壳壳体过盈配合的包壳盖；

然后将核废料放入包壳壳体中，将包壳盖在-40℃～0℃下冷冻10-120s；

最后将冷冻收缩的包壳盖置于所述包壳壳体中，室温下包壳盖膨胀至与包壳壳体过盈配合，达到密封效果，即得核废料嬗变靶材。