CN111403070A - 防辐射组合物以及高放射性核废料金属容器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种防辐射组合物以及高放射性核废料金属容器，防辐射组合物按照体积份数包括：4份～12份的骨架材料、1份～9份的干燥剂和11份～35份的中子吸收剂。高放射性核废料金属容器包括金属外壳、缓冲层和封装体，所述封装体内设有高放射性废核燃料，所述封装体和所述缓冲层均设置在所述金属外壳内，并且所述缓冲层位于所述金属外壳和所述封装体之间；所述缓冲层的材料为防辐射组合物。本发明的防辐射组合物用来支撑高放射性核废料金属容器的金属外壳，同时确保封装体的安全以及确保土壤不被污染。

Description

防辐射组合物以及高放射性核废料金属容器

技术领域

本发明涉及防辐射领域，更具体地，涉及一种防辐射组合物以及高放射性核废料金属容器。

背景技术

核工业的快速发展，产生了大量的核废料。按放射性的强弱，核废料包括低水平放射性核废料、中水平放射性核废料和高水平放射性核废料，低、中水平放射性核废料主要指核电站的污染设备、检测设备、运行时的水化系统、交换树脂、废水废液和手套等劳保用品，高水平放射性核废料则是指从核电站反应堆芯中置换出来的燃烧后的核燃料棒，该燃烧后的核燃料棒仍具有极强烈的放射性，其半衰期长达数千年、数万年甚至几十万年。

国际原子能机构对于核废料的处理和处置有严格的要求，对于中、低水平放射性核废料采取稀释、浓缩和回收的方式，回收约93％的核原料，将核辐射损伤降低到最小，对高水平放射性核废料无法处理，只能做永久性深埋处置，该永久性处置处理是指能够深地质封存数万年甚至几十万年不能泄露。

永久性处置处理必须要解决两个问题：第一，要安全、永久地将核废料封闭在一个容器里，并保证数万年内不泄露出放射性；第二，要寻找一处安全、永久存放核废料的地点。

国际上通常采用海洋和陆地两种方法永久性处置高水平放射性核废料。一般是先将核废料制成玻璃化的固体，装入可屏蔽辐射的金属罐中，然后再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底，或深埋于建在地下超厚岩石层中的核废料处置库中。

将装有核废料的金属罐深埋于地下的核废料处置库中时，由于金属容器需要被深埋几万年，因此，既要考虑如何不对土壤造成污染，也要考虑如何确保金属罐的安全防止核泄漏。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种防辐射组合物，其具有吸潮、吸热、吸辐射和吸收应变的特性，能够作为填料应用于高放射性废核燃料的永久性深埋处置中。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种防辐射组合物，按照体积份数包括：

4份～12份的骨架材料、1份～9份的干燥剂和11份～35份的中子吸收剂。

优选地，所述骨架材料为陶粒；所述干燥剂为中性干燥剂。

优选地，所述陶粒选自稀土陶粒、凹凸棒土陶粒、高岭土陶粒、蒙脱石陶粒、蛭石陶粒、伊利石陶粒和水铝英石陶粒中的一种、两种或三种以上；

所述中性干燥剂选自无水氯化钙、分子筛、硅胶、凹凸棒土、硫酸钙、氧化铝和硫酸钠中的一种、两种或三种以上；

所述中子吸收剂选自铅粉、钢铁粉、二氧化硅、硼砂、碳化硼、硼钢、无定型碳、碳纳米管、碳纳米笼和石墨中的一种、两种或三种以上。

优选地，按照体积份数，所述防辐射组合物包括：4份～12份的高岭土陶粒、1份～9份的凹凸棒土、6份～14份的铅粉、4份～12份的二氧化硅和1份～9份的石墨。

优选地，按照体积份数，所述防辐射组合物包括：7份～9份的高岭土陶粒、3份～7份的凹凸棒土、8份～12份的铅粉、6份～10份的二氧化硅和3份～7份的石墨。

优选地，所述骨架材料为颗粒状，所述干燥剂为粉末状，所述中子吸收剂为粉末状。

优选地，所述骨架材料的粒径为1mm～3mm，所述干燥剂的粒径为200目～600目，所述中子吸收剂的粒径为1μm～100μm。

本发明的目的之二是提供一种高放射性核废料金属容器，包括：金属外壳、缓冲层和封装体，所述封装体内设有高放射性废核燃料，所述封装体和所述缓冲层均设置在所述金属外壳内，并且所述缓冲层位于所述金属外壳和所述封装体之间；所述缓冲层的材料为上述的防辐射组合物。

优选地，所述封装体自外而内依次包括防水外壳、内衬层和所述高放射性废核燃料玻璃固化体，所述内衬层位于所述防水外壳和所述高放射性废核燃料玻璃固化体之间。

优选地，所述金属外壳的材质为铜锰合金，所述防水外壳为不锈钢外壳，所述内衬层为铅内衬层。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明通过设置骨架材料，其具有支撑作用，同时可以吸收变形，能够有效缓解地壳运动的变形、高放射性核废料金属容器的变形对封装体造成的过大压力，避免封装体受到过大压力破裂而使核废料泄漏，通过设置干燥剂，防止水分腐蚀高放射性核废料金属容器和封装体，以及防止水分因吸收封装体的射线而膨胀成水蒸气在密闭空间下导致的爆炸，通过设置中子吸收材料，防止核废料对土壤的污染，因此，本发明的防辐射组合物既可以保护土壤免受核辐射污染，又可以保护封装体的安全，防止核泄漏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一实施方式的核废料容器的立体结构示意图。

图2为如图1所示的核废料容器的横截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前全世界对核废料的永久性处置方法主要是深埋，具体过程为：首先将高放射性核废料用玻璃化的固体封装，得到高放射性废核燃料玻璃固化体，将玻璃固化体装入可屏蔽辐射的封装体中，然后将封装体深埋于1000米以下的地下核废料处置库中，深埋的时间跨度为1万年，甚至几十万年。

上述方案可能存在的问题，首先是核安全问题，大时间尺度下，岩石可能发生变形，对封装体挤压，造成封装体破损，导致核泄漏，其次是岩石力学问题，一千米深处的核废料处置库的地应力很大，应力集中系数可能超过三倍，即相当于三千米岩石的压力，这对支护提出很高的要求。

本发明公开了一种防辐射组合物，其目的主要为填充于封装体与装载封装体的金属外壳之间、封装体与土壤之间以及土壤与装载封装体的金属外壳之间的孔隙，确保封装体的安全以及确保土壤不被辐射污染。

具体的，防辐射组合物包括以下体积份数的材料：骨架材料4～12份、干燥剂1～9份和中子吸收剂11～35份。

骨架材料的作用，首先起支撑的作用，用来支撑地应力，以及支撑装载封装体的高放射性核废料金属容器的金属外壳，其次，可以吸收形变，防止岩石运动使高放射性核废料金属容器变形，对位于其内的封装体造到过大压力，最后，骨架材料还起骨架的作用，吸附干燥剂和中子吸收剂，防止各材料由于重力不同导致的运输过程中的分层，无法满足设计要求。

骨架材料可以包括陶粒和/或泡沫金属。陶粒是指烧制黏土所成的内部具有孔隙的颗粒状固体，为高温加工后的产品，其理化性能稳定，且价格便宜，即便时长期处于地底深处的环境中也不会发生性能变化。陶粒具有一定的硬度，可以起到支撑的作用，在受到挤压时，陶粒的颗粒状结构重新排布，吸收形变，陶粒内部的孔隙还可以吸收空气和水分。

优选地，陶粒可以为稀土陶粒、凹凸棒土陶粒、高岭土陶粒、蒙脱石陶粒、蛭石陶粒、伊利石陶粒和水铝英石陶粒等中的一种、两种或三种以上。

泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，其不仅具有一定的硬度，而且可以吸收形变。

优选地，泡沫金属可以选自泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜和泡沫金属合金中等的一种、两种或三种以上。

干燥剂的作用主要是吸收水分，一方面防止水分对封装体以及装载封装体的金属外壳的腐蚀，另一方面，避免水分吸收封装体的射线而膨胀成水蒸气在密闭空间下导致的爆炸，防止核泄漏。

优选地，干燥剂为中性干燥剂，防止酸、碱干燥剂对封装体或高放射性核废料金属容器的腐蚀。优选地，中性干燥剂可以选自无水氯化钙、分子筛、硅胶、凹凸棒土、硫酸钙、氧化铝和硫酸钠等中的一种、两种或三种以上。

中子吸收剂的作用主要是吸收或慢化中子的速度，减少辐射对岩石、地质和土壤的污染。

优选地，中子吸收剂可以选自铅粉、钢铁粉、二氧化硅、硼砂、碳化硼、硼钢、无定型碳、碳纳米管、碳纳米笼和石墨等中的一种、两种或三种以上。

为了使防辐射组合物在填充时的密度更大，以及避免各组份因重力不同在传输过程中导致的分层现象。优选地，将骨架材料设置成多孔颗粒状，将干燥剂和中子吸收剂设置成粉末状，骨架颗粒的粒径大于干燥剂粉末的粒径，并且骨架颗粒的粒径大于中子吸收剂粉末的粒径，混合均匀后，粉末状材料被填充于多孔颗粒状材料的表面孔隙内，并且填充于多孔颗粒间的间隙，使填充更密实，支撑力更大，并且保证骨架颗粒在运输中仍能均匀分布，避免分层。优选地，骨架材料的粒径为1mm～3mm，干燥剂的粒径为200目～600目，中子吸收剂的粒径为1μm～100μm。

当将本发明的防辐射组合物填充时，为了加强防辐射组合物的流动性，使防辐射组合物能够完全填充缝隙，优选地，骨架材料为球状。

由于陶粒的成本低、制作工艺简单、造型容易且易得到粒径均匀的颗粒，成为骨架材料的优选，其中，以高岭土陶粒的强度最高，且其隔热性、吸水性、透气性和稳定性等综合性能最优。

干燥剂中，综合考虑成本、吸水能力、抗高温稳定性和抗辐射能力，优选地，以凹凸棒土为最佳干燥剂，因为凹凸棒土的抗盐、吸附和胶体性能要高于其他干燥剂粉末。

在一优选实施例中，防辐射组合物包括以下体积份数的材料：高岭土陶粒4份～12份、凹凸棒土1份～9份、铅粉6份～14份、二氧化硅4份～12份、石墨1份～9份。

中子吸收剂优选铅粉、二氧化硅和石墨，铅粉能够有效吸收中子，石墨是中子慢化剂，同时，石墨还具有润滑性，能够增强组合物在填充时的流动性，二氧化硅是玻璃的主要成份，其主要作用是抵挡射线，以及在极端情况下(例如，因腐蚀或应力损坏导致的核废料泄漏)能够受热熔化将泄漏的核废料再固化封存。因此，本发明的防辐射组合物能够满足超长时间跨度下对腐蚀、外界挤压应力以及核泄漏的应对。

更优选的，防辐射组合物中，高岭土陶粒的体积份数为7份～9份，凹凸棒土的体积份数为3份～7份，铅粉的体积份数为7份～9份，二氧化硅的体积份数为6份～10份，石墨的体积份数为3份～7份。

具体来说，防辐射组合物中，高岭土陶粒的体积份数可以为7份、8份或9份，凹凸棒土的体积份数为3份、4份、5份、6份或7份，铅粉的体积份数为7份、8份或9份，二氧化硅的体积份数为6份、7份、8份、9份或10份，石墨的体积份数为3份、4份、5份、6份或7份。

本发明还公开了一种高放射性核废料金属容器100，如图1和图2所示，包括金属外壳10、缓冲层20和封装体30，封装体30内设有高放射性废核燃料，封装体30和缓冲层20均设置在金属外壳10内，并且缓冲层20位于金属外壳10和封装体30之间，缓冲层20内填充上述的防辐射组合物。该高放射性核废料金属容器被置于地下1000米以下的核废料处置库中，被永久性处置，处置时间跨度为至少1万年。

缓冲层20既能支撑金属外壳10，也可以吸收金属外壳10受到挤压发生的形变，防止封装体30被挤压而破裂，从而导致核泄漏。

由于处置时间跨度大，首先防止高放射性核废料金属容器的金属外壳的腐蚀，优选地，金属外壳的材质为铜锰合金，我国出土的三星堆青铜器距今已有5000年历史，其材质为铜锰合金，经检测发现，铜锰合金虽然被深埋数千年，但是，其表面仅有少量腐蚀，金属性仍保持良好。因此，金属外壳的材质优选铜锰合金。

优选地，缓冲层20的厚度为100mm～200mm。

结合附图，本实施例中，封装体30自外而内依次包括防水外壳32、内衬层34和废核燃料36，内衬层34位于防水外壳32和废核燃料36之间。

核废料容器100内容纳的封装体30的数量可以根据实际需求设置。本实施方式中，废核燃料36的数量为1个。在其他的实施例中，封装体30的数量也可以为2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、甚至更多。

本实施例中，防水外壳32为不锈钢外壳。不锈钢外壳可以起到很好的防水作用，同时其还具有较好的机械性能，可以很好的保护内部的高放射性废核燃料36。

本实施方式中，内衬层34为铅内衬层。铅内衬层可以吸收高放射性废核燃料36的辐射。

本实施方式中，废核燃料36为固化玻璃体包裹的高放射性废核燃料棒。

结合附图，本实施方式中，核废料容器100的外周设有中心对称分布的若干个导向结构12。导向结构12可以用于配合导轨实现核废料容器100的导向移动，从而使得核废料容器100可以顺利的转移至目的位置。

具体来说，导向结构12为导向凹槽12，并且导向凹槽12的延伸方向与核废料容器100的轴向平行。

综上，本发明的高放射性核废料金属容器具有良好的抗腐蚀性、抗应变性和防辐射性，不仅能保证封装体的安全，而且能保护土壤不受污染。

当然上述组合物也可作为填充剂填充于土壤与高放射性核废料金属容器之间，进一步阻止射线污染土壤。

以下为具体实施方式。

实施例1

防辐射组合物包括以下体积份数的材料：高岭土陶粒4份、凹凸棒土1份、铅粉6份、二氧化硅4份、石墨1份。其中，高岭土陶粒的粒径约为1mm，凹凸棒土的粒径为600目、铅粉的粒径约为5μm，石墨的粒径约为10μm，二氧化硅的粒径约为100μm。

实施例2

防辐射组合物包括以下体积份数的材料：高岭土陶粒12份、凹凸棒土9份、铅粉14份、二氧化硅12份、石墨9份。其中，高岭土陶粒的粒径约为3mm，凹凸棒土的粒径为200目、铅粉的粒径约为5μm，石墨的粒径约为1μm，二氧化硅的粒径约为50μm。

实施例3

防辐射组合物包括以下体积份数的材料：高岭土陶粒8份、凹凸棒土5份、铅粉10份、二氧化硅8份、石墨5份。其中，高岭土陶粒的粒径约为3mm，凹凸棒土的粒径为600目、铅粉的粒径约为10μm，石墨的粒径约为1μm，二氧化硅的粒径约为50μm。

实施例4

实施例4中，将实施例3中的骨架材料替换为泡沫铝，其余均不变。

防辐射组合物包括以下体积份数的材料：泡沫铝8份、凹凸棒土5份、铅粉10份、二氧化硅8份、石墨5份。其中，泡沫铝的粒径约为3mm，凹凸棒土的粒径为600目、铅粉的粒径约为10μm，石墨的粒径约为1μm，二氧化硅的粒径约为50μm。

对比例1

对比例1中，将实施例3中的骨架材料删除，其余均不变。

防辐射组合物包括以下体积份数的材料：凹凸棒土5份、铅粉10份、二氧化硅8份、石墨5份。其中，凹凸棒土的粒径为600目、铅粉的粒径约为10μm，石墨的粒径约为1μm，二氧化硅的粒径约为50μm。

测试例1

对实施例1～4和对比例1的防辐射组合物进行抗变形实验，以粒径为200目的高岭土为空白例，将各组合物放置在直径为500毫米、高度为600毫米的密闭金属圆筒内，震荡圆筒，密实填料，记录填料高度为H1，使用加压圆盘压紧填料，加压圆盘的直径为500毫米厚度为40毫米，加压圆盘中心安装有加压杆，加压杆直径为四十毫米，长度200毫米，在加压杆上施加压力，初始压力值为1000牛，保持五分钟，然后每一个加载步压力差为2000牛，均保持五分钟，直至压力值为9000牛，撤去加压圆盘，五分钟后测量填料高度为H2，组合物的形变率为(H1-H2)/H1，形变率低于10％大于6％最优，最优值为8％左右，形变率过小，不能有效吸收形变，形变率过大强度不足，无法起到支撑作用。

经试验，实施例1～4、对比例1以及空白例的组合物的形变率分别为7.34％、8.67％、8.17％、9.53％、0.87％、0.56％。可见，对比例1和空白例只有粉末状态的组合物，由于过于密实，形变率非常小，无法较好的吸收形变，泡沫铝的形变率大，但是支撑力度不足，因此，陶粒即具有良好的强度又具有良好的形变吸收作用，为骨架材料的最优选择。

测试例2

对实施例1～4和对比例1的防辐射组合物进行干燥性实验，以粒径为200目的高岭土为空白例，取相同体积的各组合物放入饱和瓶中，记录初始重量为m1，在25℃下，分别对各饱和瓶持续通入湿度为20％r.h的空气1h，记录此时的重量为m2，单位吸附能力为(m2-m1)/m1，吸附能力越高，干燥性越强。

经试验，实施例1～4、对比例1以及空白例的组合物的单位吸附能力分别为2.32％、4.78％、9.63％、2.03％、5.32％、4.68％。实施例3和实施例4相比，由于陶粒的内部具有封闭空隙，陶粒可以吸收气体，因此，陶粒除了作为骨架材料外，还具有吸附的功能，因此，实施例3的干燥性最强。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种防辐射组合物，其特征在于，按照体积份数，所述防辐射组合物包括：4份～12份的骨架材料、1份～9份的干燥剂和11份～35份的中子吸收剂。

2.根据权利要求1所述的防辐射组合物，其特征在于，所述骨架材料为陶粒；所述干燥剂为中性干燥剂。

3.根据权利要求2所述的防辐射组合物，其特征在于，

所述陶粒选自稀土陶粒、凹凸棒土陶粒、高岭土陶粒、蒙脱石陶粒、蛭石陶粒、伊利石陶粒和水铝英石陶粒中的一种、两种或三种以上；

所述中性干燥剂选自无水氯化钙、分子筛、硅胶、凹凸棒土、硫酸钙、氧化铝和硫酸钠中的一种、两种或三种以上；

所述中子吸收剂选自铅粉、钢铁粉、二氧化硅、硼砂、碳化硼、硼钢、无定型碳、碳纳米管、碳纳米笼和石墨中的一种、两种或三种以上。

4.根据权利要求3所述的防辐射组合物，其特征在于，按照体积份数，所述防辐射组合物包括：4份～12份的高岭土陶粒、1份～9份的凹凸棒土、6份～14份的铅粉、4份～12份的二氧化硅和1份～9份的石墨。

5.根据权利要求4所述的防辐射组合物，其特征在于，按照体积份数，所述防辐射组合物包括：7份～9份的高岭土陶粒、3份～7份的凹凸棒土、8份～12份的铅粉、6份～10份的二氧化硅和3份～7份的石墨。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的防辐射组合物，其特征在于，所述骨架材料为颗粒状，所述干燥剂为粉末状，所述中子吸收剂为粉末状。

7.根据权利要求6所述的防辐射组合物，其特征在于，所述骨架材料的粒径为1mm～3mm，所述干燥剂的粒径为200目～600目，所述中子吸收剂的粒径为1μm～100μm。

8.一种高放射性核废料金属容器，其特征在于，包括：金属外壳、缓冲层和封装体，所述封装体内设有高放射性废核燃料，所述封装体和所述缓冲层均设置在所述金属外壳内，并且所述缓冲层位于所述金属外壳和所述封装体之间；

所述缓冲层的材料为权利要求1～7任意一项所述的防辐射组合物。

9.根据权利要求8所述的高放射性核废料金属容器，其特征在于，所述封装体自外而内依次包括防水外壳、内衬层和所述高放射性废核燃料玻璃固化体，所述内衬层位于所述防水外壳和所述高放射性废核燃料玻璃固化体之间。

10.根据权利要求9所述的高放射性核废料金属容器，其特征在于，所述金属外壳的材质为铜锰合金，所述防水外壳为不锈钢外壳，所述内衬层为铅内衬层。

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