CN104228268A - 梯度式高分子基中子吸收栅板材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了梯度式高分子基中子吸收栅板材料，该材料包括快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层，三种吸收层梯度层压而成；快中子慢化吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氟化锂、氢化锂或碳化硼的吸收体材料；中能中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钐的中子吸收体材料；热中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钆或氧化镉的中子吸收体材料。本发明还公开了梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，梯度式高分子基中子吸收栅板材料具有吸收效率高、寿命长、力学性能高、工艺简单等特点，而且对γ光子有一定的吸收效果，可用于乏燃料贮存与其他类型中子源，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯度式高分子基中子吸收栅板材料。
本发明还涉及一种梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法。主要应用在乏燃料栅板材料与中子防护的领域内。
背景技术
我国是目前世界上拥有在建核电机组最多的国家，按2007年颁布的《核电中长期发展规划》，到2020年，我国核电装机容量将达到4000万千瓦（后经调整，目标为8000万千瓦）。国际原子能机构数据显示，一座装机容量1000兆瓦的反应堆，每年将产生大约33吨核废料。由此预计我国每年都将卸下近千吨的乏燃料。乏燃料的贮存与处理，是直接关系着国家核工业能否持续、健康发展的关键大事。
日本福岛核电站事故发生以后，乏燃料湿法贮存暴露出慢化水体易泄漏的巨大安全隐患，因此各国均把干法贮存视为未来乏燃料贮存的更可靠方案。与湿法贮存相比，缺少了慢化水环境的干法贮存对中子吸收能力不足，仅靠贮存器中格架、栅板以及桶壁材料的屏蔽吸收作用，贮存器罐体将承受更多的放射性粒子轰击，无法有效保障贮存容器在几十年、上百年的存放期不发生放射性泄漏，因此存在着一定安全隐患。目前采取的办法是减少乏燃料的贮存容量，这也导致了容器内乏燃料的贮存密度较低。
贮存容器存储安全性的提升，依赖于新一代高性能中子屏蔽材料选材及结构设计理念的创新，并寻求在制备技术上的突破。为了克服目前干法贮存用格架、栅板材料存在对高能中子吸收能力不足，加之功能结构难以实现一体化的技术难题，从物质与中子的相互作用机理出发，基于全能谱协同/梯度吸收的设计理念，研发一种新型聚酰亚胺或环氧基碳纤维中子屏蔽复合材料。
发明内容
为了避免中子吸收体作用发挥不足与中子能谱吸收范围较窄的问题，本发明提供一种梯度式高分子基中子吸收栅板材料。采用高分子基中子屏蔽材料，并设计成梯度结构，全面提高中子屏蔽材料的屏蔽性能。
本发明还提供一种梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法。
本发明采用的技术方案：
梯度式高分子基中子吸收栅板材料，该材料包括快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层，三种吸收层梯度层压而成；所述快中子慢化吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氟化锂、氢化锂或碳化硼的吸收体材料；所述中能中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钐的中子吸收体材料；所述热中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钆或氧化镉的中子吸收体材料。
所述快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层所用的高分子基体一致，所用高分子基体采用丙酮可溶性聚酰亚胺树脂或双酚A型环氧树脂；所用的增强纤维为连续玻璃纤维或碳纤维。
梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、通过在热固性高分子树脂中加入有机溶剂丙酮，根据热固性高分子树脂粘度大小，对热固性高分子树脂进行稀释；
b、然后在稀释后的热固性胶液中分别加入三种中子吸收体，制备混合胶液；
c、对所用的增强纤维进行偶联处理或辐照处理，提高纤维表面与树脂基体的结合强度；
d、将处理后的增强纤维浸渍含有不同的吸收体胶液后，先铺放快中子慢化吸收层，到达一定厚度时，再铺放中能中子吸收层，最后铺放热中子吸收层；
e、将得到预制体在相应的树脂固化工艺下进行固化，最终冷却脱模后，得到梯度中子辐射屏蔽复合材料。
上述热固性高分子树脂为丙酮可溶性聚酰亚胺树脂或双酚-A环氧树脂。
本发明中所述梯度式高分子基中子吸收栅板材料，其工作原理为：
能量较高的中子在通过快中子慢化吸收层时不仅能够将快中子进行吸收，还能通过材料中含有的氢元素将中子慢化，提高后续过程的吸收效率，当中子通过中能中子吸收层时，能够将中能中子进行针对性吸收，当中子通过慢化中子吸收层时，能够对热中子进行针对性吸收，屏蔽材料通过提高每步中子吸收过程的材料屏蔽效率，实现高效屏蔽的目的。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、本发明中所述梯度式高分子基中子吸收栅板材料，既能起到中子吸收的目的，又有一定的光子吸收作用，使衰变产生中子与γ光子能够被有效地吸收，保证人员与贮存燃料的安全；
二、本发明所述梯度式高分子基中子吸收栅板材料，采用吸收体材料呈梯度分布，最大限度的保证了中子的吸收效率；
三、本发明所述梯度式高分子基中子吸收栅板材料，采用纤维增强树脂基复合材料，大幅度提高中子屏蔽材料的力学性能，保证中子屏蔽材料在应用过程中的安全性；
综上所述最后给出的梯度式高分子基中子吸收栅板材料具有吸收效率高、寿命长、力学性能高、工艺简单等特点，而且对γ光子有一定的吸收效果，可用于乏燃料贮存与其他类型中子源，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1 是梯度式高分子基中子吸收栅板材料的示意图。
1、快中子慢化吸收层，2、中能中子吸收层，3、热中子吸收层。
具体实施方式
下述实施例仅用于说明本发明，但并不能限定本发明的保护范围。
图1中所示，本发明的梯度式高分子基中子吸收栅板材料，该材料包括快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层，三种吸收层梯度层压而成；快中子慢化吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氟化锂、氢化锂或碳化硼的吸收体材料，这些材料兼具中子慢化功能；中能中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钐的中子吸收体材料，这些材料具有较大中能中子反应截面积；热中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钆或氧化镉的中子吸收体材料，这些材料具有较大热中子反应截面。
快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层所用的高分子基体一致，所用高分子基体采用丙酮可溶性聚酰亚胺树脂或双酚A型环氧树脂；所用的增强纤维为连续玻璃纤维或碳纤维。
上述基于梯度式高分子基中子吸收栅板材料可通过以下方法制备得到：
实施例1
梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、先将聚酰亚胺树脂在80℃的条件下加热，使树脂具有良好的流动性，通过在聚酰亚胺树脂中加入有机溶剂丙酮，并在60℃的条件下充分搅拌，根据热固性高分子树脂粘度大小，对热固性高分子树脂进行稀释（若所用的热固性高分子树脂粘度较小，则无需通过溶剂稀释），得到稀释后的聚酰亚胺胶液备用；
b、将胶液分成三份，然后在稀释后的热固性胶液中分别加入氟化锂、氧化钐与氧化钆，制备出含不同中子吸收体的吸收填料的功能胶液；
c、对所用的碳纤维在120kGy的辐照剂量下进行辐照，提高纤维表面与树脂基体的结合强度；
d、将处理后的增强纤维浸渍含有不同的吸收体胶液后，将材料按氟化锂层、氧化钐层与氧化钆层顺序排列；
e、将得到预制体进行热压成型，最终冷却脱模后，得到梯度中子辐射屏蔽复合材料。
实施例2
梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、先将双酚-A环氧树脂与酸酐固化剂混合，比例为1:1，使树脂具有良好的流动性，然后倒入咪唑促进剂，并在充分搅拌，得到混合均匀的环氧树脂胶液；
b、将胶液分成三份，然后在环氧树脂胶液中分别加入氟化锂、氧化钐与氧化钆，制备出含不同中子吸收体的吸收填料的功能胶液；
c、用硅烷偶联剂将玻璃纤维表面进行偶联处理，提高纤维表面与树脂基体的结合强度；
d、将偶联处理后的玻璃纤维剪裁成所需大小并浸渍混料后的胶液，将材料按氟化锂层、氧化钐层与氧化钆层顺序排列，制成屏蔽材料预制体；
e、将得到预制体进行热压成型，最终冷却脱模后，得到梯度中子辐射屏蔽复合材料。
实施例3
梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、先将聚酰亚胺树脂在80-90℃的条件下加热，使树脂具有良好的流动性，通过在聚酰亚胺树脂中加入有机溶剂丙酮，并在50-60℃的条件下充分搅拌，根据热固性高分子树脂粘度大小，对热固性高分子树脂进行稀释，得到稀释后的聚酰亚胺胶液备用；
b、将胶液分成三份，然后在稀释后的热固性胶液中分别加入氢化锂、氧化镉与氧化钆，制备出含不同中子吸收体的吸收填料的功能胶液；
c、对所用的连续玻璃纤维在120kGy的辐照剂量下进行辐照，提高纤维表面与树脂基体的结合强度；
d、将处理后的增强纤维浸渍含有不同的吸收体胶液后，将材料按氢化锂层、氧化镉层与氧化钆层顺序排列；
e、将得到预制体在相应的树脂固化工艺下进行固化，最终冷却脱模后，得到梯度中子辐射屏蔽复合材料。
上述实施例1-3中，快中子慢化吸收层所掺杂的中子吸收体材料除例举的氟化锂、氢化锂，还可以为碳化硼。
本发明中所述梯度式高分子基中子吸收栅板材料，既能起到中子吸收的目的，又有一定的光子吸收作用，使衰变产生中子与γ光子能够被有效地吸收，保证人员与贮存燃料的安全；采用吸收体材料呈梯度分布，最大限度的保证了中子的吸收效率；采用纤维增强树脂基复合材料，大幅度提高中子屏蔽材料的力学性能，保证中子屏蔽材料在应用过程中的安全性。
Claims (4)
1.梯度式高分子基中子吸收栅板材料，其特征在于：该材料包括快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层，三种吸收层梯度层压而成；所述快中子慢化吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氟化锂、氢化锂或碳化硼的吸收体材料；所述中能中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钐的中子吸收体材料；所述热中子吸收层所掺杂的中子吸收体材料是氧化钆或氧化镉的中子吸收体材料。
2.根据权利要求1所述的梯度式高分子基中子吸收栅板材料，其特征在于：所述快中子慢化吸收层、中能中子吸收层和热中子吸收层所用的高分子基体一致，所用高分子基体采用丙酮可溶性聚酰亚胺树脂或双酚A型环氧树脂；所用的增强纤维为连续玻璃纤维或碳纤维。
3.如权利要求1所述的梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过在热固性高分子树脂中加入有机溶剂丙酮，根据热固性高分子树脂粘度大小，对热固性高分子树脂进行稀释；
b、然后在稀释后的热固性胶液中分别加入三种中子吸收体，制备混合胶液；
c、对所用的增强纤维进行偶联处理或辐照处理，提高纤维表面与树脂基体的结合强度；
d、将处理后的增强纤维浸渍含有不同的吸收体胶液后，先铺放快中子慢化吸收层，到达一定厚度时，再铺放中能中子吸收层，最后铺放热中子吸收层；
e、将得到预制体在相应的树脂固化工艺下进行固化，最终冷却脱模后，得到梯度中子辐射屏蔽复合材料。
4.根据权利要求3所述的梯度式高分子基中子吸收栅板材料的制备方法，其特征在于：所述热固性高分子树脂为丙酮可溶性聚酰亚胺树脂或双酚-A环氧树脂。
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