CN109585051A - 一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，包括保温外盒和装填在保温外盒内部的中子屏蔽层、伽马屏蔽层、冷热两侧金属反射箔片，中子屏蔽层和伽马屏蔽层均采用具有金属特性的无机屏蔽材料制成；在保温层厚度截面上的装填顺序依次为：保温外盒的热面壳板、热面侧金属反射箔片、中子屏蔽层、伽马屏蔽层、冷面侧金属反射箔片、保温外盒的冷面壳板；冷热两侧金属反射箔片均呈纵横规律性间隔排布的正反圆锥凸台波纹形状，且相邻两层金属反射箔片以正反球窝顶点对顶点的背向式交错叠放。本发明提供了一种既带保温隔热功能、又带屏辐射屏蔽功能的复合金属保温层，可长寿期服役在高温辐射环境下。
Description
技术领域
本发明涉及核工业技术领域，具体涉及一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层。
背景技术
核反应堆正常运行时，核一级主设备及管道内部的流动着高温、高压、高放射性冷却介质，需要在设备及管道外表面设置保温层进行隔热，减少热量损失，同时也需要在核一级设备及管道外部设置屏蔽材料以降低设备外围的辐射剂量，有助于人员在役期间的检查维护。目前，核反应堆冷却剂系统的一级设备及管道外部通常都采用金属保温层，但这种金属保温层仅仅具备保温隔热功能，不具备屏蔽功能，例如：专利US3904379A、CN1159062A、CN203131332U提供的金属保温层均不具备屏蔽功能。但是随着核电技术的发展，对既带保温隔热功能、又带屏蔽功能的核级设备及管道保温层的需求越发明显，专利CN103174912B和CN103971761A各自提供了一种带屏蔽功能的复合型保温层，但两者的屏蔽材料都采用了含硼硅树脂或含硼聚乙烯板或含硼环氧树脂板等非金属有机材料，这类非金属有机屏蔽材料的适用温度范围一般不能高于200℃，即便是在低于200℃的工作环境下，出于有机树脂材料自身的固有特性限制，这类非金属有机屏蔽材料在高温、长时间的使用下必然会产生性能老化，导致其屏蔽功能逐渐下降甚至丧失，其一次使用年限不会很长，在用于超长寿期的核电厂及核动力设备(例如60年寿期)时，必然需要定期更换以保证其屏蔽性能始终满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中带辐射屏蔽功能的复合金属保温层采用有机材料制成，耐高温性能差，使用寿命短，需要定期更换，本发明提供了解决上述问题的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，包括保温外盒和装填在保温外盒内部的中子屏蔽层、伽马屏蔽层、冷面侧金属反射箔片和热面侧金属反射箔片，所述中子屏蔽层和伽马屏蔽层均采用具有金属特性的无机屏蔽材料制成；在保温层厚度截面上的装填顺序依次为：保温外盒的热面壳板、若干层热面侧金属反射箔片、中子屏蔽层、伽马屏蔽层、若干层冷面侧金属反射箔片、保温外盒的冷面壳板；若干层冷面侧金属反射箔片整体和若干层热面侧金属反射箔片整体均由正向圆锥凸台和反向圆锥凸台纵横规律性间隔排布形成波纹形状，且相邻两层冷面侧金属反射箔片或热面侧金属反射箔片均以正向圆锥凸台的顶点对反向圆锥凸台顶点的背向式交错叠放。
本发明提供的金属保温层的保温外盒的热面壳板面向发热设备的外壁，金属保温层的整体外形可以根据设备表面的形状制作成平板形、圆管形、球面形。冷面侧金属反射箔片和热面侧金属反射箔片的装填层数根据发热设备的保温和辐射屏蔽需求而定，相邻两层金属反射箔片之间的间距可以通过控制正反圆锥凸台的高度来调整，以达到金属反射箔片装填层数与保温隔热效果的最优化。相邻两层金属反射箔片装填时必须是正向圆锥凸台的顶点对反向圆锥凸台的顶点的背向式交错叠放，保证相邻两层金属反射箔片之间的接触全是点接触，目的是减少金属接触面积，减少金属接触导热损失。
进一步地，所述热面侧金属反射箔片和中子屏蔽层之间、以及伽马屏蔽层和冷面侧金属反射箔片之间均设有分隔板；所述分隔板将保温外盒内分成三个独立的腔室，分隔板采用双镜面的奥氏体不锈钢薄板制成。
分隔板与保温外盒的四周侧面壳板进行断续焊连接，目的是将内外两侧的中子屏蔽层和伽马屏蔽层与冷热面两侧的金属反射箔片分隔开，在保温外盒内分成三个独立的腔室。
进一步地，所述保温外盒是由内壳板、外壳板和四周的侧面壳板通过焊接构成一个封闭的外盒，所述内壳板、外壳板和四周的侧面壳板均采用双镜面的奥氏体不锈钢薄板制成。
进一步地，所述奥氏体不锈钢薄板的Co含量质量百分数≤1％，以尽量降低经受中子和伽马辐照后的活化剂量水平。
进一步地，所述中子屏蔽层采用核纯级碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板制成。
进一步地，所述中子屏蔽层采用多层碳化硼烧结块或多层铝基碳化硼复合板交错堆叠达而成，且相邻两层碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板的拼接接缝相互错开。
中子屏蔽层的总厚度根据辐射屏蔽需求而定，可以由多层硼烧结块或铝基碳化硼复合板交错堆叠达到总厚度要求。
进一步地，所述伽马屏蔽层采用铅板或钨合金板制成。
进一步地，所述冷面侧金属反射箔片和热面侧金属反射箔片均采用超薄的奥氏体不锈钢箔带压制成纵横规律性间隔排布的正向圆锥凸台和反向圆锥凸台的波纹形状。
进一步地，所述超薄奥氏体不锈钢箔带经固溶退火、双面光亮处理制成，且Co含量质量百分数≤1％。
用于压制冷面侧金属反射箔片和热面侧金属反射箔片的超薄奥氏体不锈钢箔带应以固溶退火、双面光亮处理，并且Co含量控制在不大于1％的水平，其目的是：1)增强不锈钢箔带的塑韧性防止在压制成形时被撕裂；2)提高不锈钢箔带的表面光洁度以降低箔带的表面发射率，增强金属反射箔片对热量的辐射反射能力；3)尽量降低经受中子和伽马辐照后的活化剂量水平。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述的金属保温层是在金属保温层结构的内部增加了中子和伽马屏蔽材料，既保留了金属保温层优良的保温隔热功能，又新增了屏蔽中子和伽马射线的辐射屏蔽功能，而且中子屏蔽层采用核纯级碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板，伽马屏蔽层采用铅板或钨合金板，上述四种屏蔽材料都是具有金属特性的无机屏蔽材料，耐高温、耐辐照、化学和物理性能稳定，可以长寿期在高温、高辐照环境下使用而不会出现老化和屏蔽性能下降的现象，不需要定期更换，很好的克服了专利CN103174912B和CN103971761A中使用的非金属有机屏蔽材料不耐高温、易老化、需定期更换的不足；
2、本发明所述的金属保温层内部装填的单层金属反射箔片的波纹结构及多层金属反射箔片的叠放结构能够有效的降低辐射传热量和金属接触导热传热量，提高复合型金属保温层的保温隔热效果。而且，本发明所述的金属反射箔片上的正反圆锥凸台波纹结构在整个平面上是成规律性的纵横间隔排布，各方向上分布均匀，可以不用区分波纹方向极其方便的卷成圆管形状和球面形状，以方便将整个复合型金属保温层的整体外形根据设备表面形状制作成圆管形或球面形。
综上所述，本发明提供的复合型金属保温层既具有优良的保温隔热性能，又具备优良的屏蔽中子和伽马射线的防辐射功能，可以长寿期在高温、高辐照环境下使用而不会出现老化和屏蔽性能下降的现象，不需要定期更换，可以用构建核一级设备及管道的金属保温层系统。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明复合金属保温层结构示意图；
图2为图1中的热面侧和冷面侧金属反射箔片的平面俯视图结构示意图；
图3为图2中的金属反射箔片的A-A剖面结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-热面壳板，2-冷面壳板，3-侧面壳板，4-中子屏蔽层，5-伽马屏蔽层，6-分隔板，7-冷面侧金属反射箔片，8-热面侧金属反射箔片，9-正向圆锥凸台，10-反向圆锥凸台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明所述的带屏蔽功能的金属保温层由保温外盒和装填在保温外盒内部的中子屏蔽层4、伽马屏蔽层5、分隔板6、热面侧金属反射箔片8和冷面侧金属反射箔片7构成，各零件在厚度截面上的装填顺序依次为：保温外盒的热面壳板1、多层热面侧金属反射箔片8、分隔板6、中子屏蔽层4、伽马屏蔽层5、分隔板6、多层冷面侧金属反射箔片7、保温外盒的冷面壳板2，其中保温外盒的热面壳板1面向发热设备的外壁。这种带屏蔽功能的复合型金属保温层的整体外形可以根据设备表面的形状制作成平板形、圆管形、球面形，其使用的高温范围一般可以到450℃，其保温性能一般可以做到等效导热系数小于0.075W/(m.K)，其使用寿命预期可以到60年甚至更长。
保温外盒由热面壳板1、冷面壳板2和四周的侧面壳板3通过点焊或断续焊等焊接方式构成一个封闭的外盒，材料采用奥氏体不锈钢薄板制造，奥氏体不锈钢薄板需进行双面抛光处理达到双镜面要求，并且不锈钢薄板中的Co含量应控制在不大于1％的水平，以尽量降低经受中子和伽马辐照后的活化剂量水平。内壳板1和外壳板2的厚度一般在0.6mm～1.0mm之间，而侧面壳板3的厚度可以与内壳板1的厚度或外壳板2的厚度相等，但考虑到保温外盒的结构强度也可以稍厚于内壳板1的厚度、以及外壳板2的厚度，但一般不超过2mm，为了进一步增强保温外盒的强度，可以在保持侧面壳板3厚度不变的情况下，将侧面壳板沿保温盒厚度方向向内压制出等间隔的三角形凹槽或半圆柱形凹槽，以增加侧面壳板的抗弯截面模量，以此提高保温盒的整体结构刚度和强度。
中子屏蔽层4采用核纯级碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板，其总厚度根据辐射屏蔽需求而定，可以采用多层碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板交错堆叠达到总厚度要求。碳化硼烧结块的相对密度一般控制在60％～85％范围，而铝基碳化硼复合板中碳化硼的含量一般在30％左右。相邻两层碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板的拼接接缝应相互错开，保证在厚度方向形成迷宫式的交错堆叠接缝，避免出现贯穿厚度方向的直缝拼接，避免中子漏束。
伽马屏蔽层5采用铅板或钨合金板，工作温度低于327℃时采用铅板、高于327℃时采用钨合金板，伽马屏蔽层5的厚度根据辐射屏蔽需求而定。
分隔板6采用与保温外盒相同材料的双镜面的奥氏体不锈钢薄板制造，分隔板与保温外盒的四周侧面壳板3进行焊接连接，目的是将中子屏蔽层4、伽马屏蔽层5与冷热面两侧金属反射箔片分隔开，在保温外盒内分成三个独立的腔室，用以分别装填屏蔽材料和金属反射箔片。
热面侧金属反射箔片8和冷面侧金属反射箔片7都采用超薄的奥氏体不锈钢箔带制造，厚度一般在0.05mm～0.1mm，并都压制成图2和图3所示的纵横规律性间隔排布的正反圆锥凸台波纹形状，正反圆锥凸台的顶径一般在5mm～10mm，底径一般在20mm～60mm范围，正反圆锥凸台的高度一般在5mm～15mm范围，优选在5～10mm；相邻正反圆锥凸台之间的间距一般在60mm～120mm范围。热面侧金属反射箔片8和冷面侧金属反射箔片7的装填层数根据发热设备的保温需求而定，相邻两层金属反射箔片之间的间距可以通过控制正反圆锥凸台的高度来调整，以达到金属反射箔片装填层数与保温隔热效果的最优化，其中，热面侧金属反射箔片8的正反圆锥凸台的高度整体上要小于冷面侧金属反射箔片7的正反圆锥凸台的高度，目的是尽可能的在靠近热源的腔室内装填更多的热面侧金属反射箔片8，充分发挥金属反射箔片对热量的辐射反射作用，迅速的将温度降低。相邻两层金属反射箔片装填时必须是正向圆锥凸台9的顶点对反向圆锥凸台10的顶点的背向式交错叠放，保证相邻两层金属反射箔片之间的接触全是点接触，目的是减少金属接触面积，减少金属接触导热损失。用于压制金属反射箔片的超薄奥氏体不锈钢箔带经固溶退火和双面光亮处理，并且Co含量控制在不大于1％的水平，其目的是：1)增强不锈钢箔带的塑韧性防止在压制成形时被撕裂；2)提高不锈钢箔带的表面光洁度以降低箔带的表面发射率，增强金属反射箔片对热量的辐射反射能力；3)尽量降低经受中子和伽马辐照后的活化剂量水平。
此外，金属反射箔片也可以压制成现有的周期变化的正反三角波纹形状或巧克力波纹形状，深度及相应的间距参数设置参见上述内容，压制成型后的金属反射箔片与本发明的保温外盒及中子屏蔽层、伽马屏蔽层、分隔板等结构配合使用也可达到较好的保温效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，包括保温外盒和装填在保温外盒内部的中子屏蔽层(4)、伽马屏蔽层(5)、冷面侧金属反射箔片(7)和热面侧金属反射箔片(8)，所述中子屏蔽层(4)和伽马屏蔽层(5)均采用具有金属特性的无机屏蔽材料制成；在保温层厚度截面上的装填顺序依次为：保温外盒的热面壳板(1)、若干层热面侧金属反射箔片(8)、中子屏蔽层(4)、伽马屏蔽层(5)、若干层冷面侧金属反射箔片(7)、保温外盒的冷面壳板(2)；若干层冷面侧金属反射箔片(7)整体和若干层热面侧金属反射箔片(8)整体均由正向圆锥凸台(9)和反向圆锥凸台(10)纵横规律性间隔排布形成波纹形状，且相邻两层冷面侧金属反射箔片(7)或热面侧金属反射箔片(8)均以正向圆锥凸台(9)的顶点对反向圆锥凸台(10)顶点的背向式交错叠放。
2.根据权利要求1所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述热面侧金属反射箔片(8)和中子屏蔽层(4)之间、以及伽马屏蔽层(5)和冷面侧金属反射箔片(7)之间均设有分隔板(6)；所述分隔板(6)将保温外盒内分成三个独立的腔室，分隔板(6)采用双镜面的奥氏体不锈钢薄板制成。
3.根据权利要求1所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述保温外盒是由内壳板(1)、外壳板(2)和四周的侧面壳板(3)通过焊接构成一个封闭的外盒，所述内壳板(1)、外壳板(2)和四周的侧面壳板(3)均采用双镜面的奥氏体不锈钢薄板制成。
4.根据权利要求3所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述奥氏体不锈钢薄板的Co含量质量百分数≤1％。
5.根据权利要求1所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述中子屏蔽层采用核纯级碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板制成。
6.根据权利要求5所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述中子屏蔽层采用多层碳化硼烧结块或多层铝基碳化硼复合板交错堆叠达而成，且相邻两层碳化硼烧结块或铝基碳化硼复合板的拼接接缝相互错开。
7.根据权利要求1所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述伽马屏蔽层(5)采用铅板或钨合金板制成。
8.根据权利要求1所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述冷面侧金属反射箔片(7)和热面侧金属反射箔片(8)均采用超薄的奥氏体不锈钢箔带压制成纵横规律性间隔排布的正向圆锥凸台(9)和反向圆锥凸台(10)的波纹形状。
9.根据权利要求8所述的一种核级设备及管道用中间填屏蔽材料保温层，其特征在于，所述超薄奥氏体不锈钢箔带经固溶退火、双面光亮处理制成，且Co含量质量百分数≤1％。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 戴龙泽等: "乏燃料贮运用铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能计算", 《物理学报》 * |
| 箔厚 郑明光，杜圣华编: "《压水堆核电站工程设计》", 31 December 2013 * |
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