CN111933313B - 一种长寿命中子吸收材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于公开一种长寿命中子吸收材料，它由名义组分为(Tbx,Dy2‑x)HfO5（1.3≤x≤1.95）的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成；与现有技术相比，具有立方萤石结构，物理化学性质稳定，抗腐蚀性能良好，辐照肿胀小。熔点高于1500℃，室温到熔化过程无相变，使用温度限值明显高于Ag‑In‑Cd合金（熔点800℃），热工安全裕量更大，中子吸收价值显著提升，损耗速率显著减缓，实现本发明的目的。

Description

一种长寿命中子吸收材料
技术领域
本发明涉及一种中子吸收材料，特别涉及一种用于控制反应堆运行功率的长寿期中子吸收材料。
背景技术
中子吸收材料在核反应堆内均起到重要作用，主要体现在功率调控和停堆等方面，对安全可控的使用核能具有至关重要的作用。中子吸收材料从功能角度要求材料中子吸收效率高、损耗速度慢，同时要求材料熔点高、耐辐照、物理化学性质稳定。
目前，广泛研究或应用的几种中子吸收材料包括含硼材料（含硼聚乙烯、含硼不锈钢、硼-铝（B-Al）合金、铝-碳化硼（Al-B4C）复合材料、碳化硼（B4C）芯块等）、铪（Hf）、银-铟-镉（Ag-In-Cd）合金、钛酸镝（Dy2TiO5）和铪酸镝（Dy2HfO5）。几种含硼材料均存在有效吸收核素10B消耗快，导致材料寿命短的问题。Hf具有良好的耐腐蚀性能、良好的机械性能和稳定的堆内辐照性能，且Hf的6种同位素的吸收截面都比较高，嬗变产物Ta和W也具有较高的中子吸收截面和较长的半衰期，使得Hf成为最早的长寿期核反应堆控制棒吸收之一。
Ag-In-Cd是目前最常用的商业控制棒吸收材料，与Hf具有相似的初始中子吸收价值和使用寿期，Hf和Ag-In-Cd的主要问题在于中子吸收效率较低，应用范围受限。Dy2TiO5芯块因具有较低的辐照肿胀、较高的中子吸收能力、较高的熔点（至1870℃）以及与包壳相容性好的特点而成功应用于MIR和VVER-1000中。考虑到Dy2TiO5芯块辐照肿胀问题，使用的Dy2TiO5芯块相对密度控制在85%左右，因此实际使用的Dy2TiO5芯块初始中子吸收价值与Ag-In-Cd相近，因此在面对更大功率反应堆时存在与Ag-In-Cd相似的初始中子吸收价值不足的问题。俄罗斯研究人员基于Dy2TiO5的研究结果，采用Hf元素替代Ti元素形成了物理化学性质稳定、辐照肿胀小、抗腐蚀性能良好的立方萤石结构Dy2HfO5（V.D. Risovany, A.V.Zakharov, E.M. Muraleva etc., Dysprosium hafnate as absorbing materialforcontrol rods, Journal of nuclear materials, 355(2006) 163-170）。Dy2HfO5不含B元素，无裂变气体释放，中子吸收价值高，吸收价值损耗速率已较理想。但Dy2HfO5芯块的损耗速率较商用Ag-In-Cd合金棒还存在一定的差距，尚有进一步优化改进空间。
现有技术公开了一种用于制成灰控制棒的材料，设计了一种包含Tb元素、Dy元素和Hf元素的材料方案，发现加入Tb元素可以减缓吸收价值损耗速率，该专利提到的材料成分和材料晶体结构对于黑控制棒并不是最优的，相比Ag-In-Cd中子吸收价值损耗更快，也没有解决材料对耐腐蚀和耐辐照肿胀性能的需求。
因此，特别需要一种长寿命中子吸收材料，以解决上述现有存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长寿命中子吸收材料，针对现有技术的不足，提高中子吸收材料的核子密度和材料性能，不仅减缓了中子吸收价值损耗速率，还同时提升了材料的耐腐蚀性能和耐辐照肿胀性能。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种长寿命中子吸收材料，其特征在于，它由名义组分为(Tbx,Dy2-x)HfO5（1.3≤x≤1.95）的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
在本发明的一个实施例中，所述种子吸收材料由名义组分为(Tb1.95,Dy0.05)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
在本发明的一个实施例中，所述种子吸收材料由名义组分为(Tb1.8,Dy0.2)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
在本发明的一个实施例中，所述种子吸收材料由名义组分为(Tb1.3,Dy0.7)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
在本发明的一个实施例中，所述中子吸收材料用于压水堆反应功率控制时，将中子吸收材料置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中形成密封结构，保证至少15个满功率年内与冷却剂相容性良好。
在本发明的一个实施例中，所述置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中的中子吸收材料为圆柱状，所述中子吸收材料的直径接近但小于细长管状物的直径。
在本发明的一个实施例中，所述置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中的中子吸收材料为圆柱状，所述中子吸收材料在细长管状物中大部分为多段式布置。
在本发明的一个实施例中，所述中子吸收材料可用作反应堆等领域的中子反应功率控制和停堆。
本发明的长寿期中子吸收材料，与现有技术相比，具有立方萤石结构，物理化学性质稳定，抗腐蚀性能良好，辐照肿胀小。熔点高于1500℃，室温到熔化过程无相变，使用温度限值明显高于Ag-In-Cd合金（熔点800℃），热工安全裕量更大，损耗损率显著减缓，中子吸收价值显著提升，实现本发明的目的。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的包含相同规格Ag-In-Cd和正交萤石结构(Tb1.95,Dy0.05)HfO5的单个控制棒组件的中子吸收价值与燃料组件燃耗变化曲线的示意图。
图2为本发明的包含相同规格Ag-In-Cd和正交萤石结构(Tb1.8,Dy0.2)HfO5的单个控制棒组件的中子吸收价值与燃料组件燃耗变化曲线的示意图。
图3为本发明的包含相同规格Ag-In-Cd和正交萤石结构(Tb1.3,Dy0.7)HfO5的单个控制棒组件的中子吸收价值与燃料组件燃耗变化曲线的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例中，中子吸收材料为立方萤石结构的(Tb1.95,Dy0.05)HfO5，单个控制棒组件的整个寿期内的中子吸收价值均高于相同规格的Ag-In-Cd合金棒，中子吸收价值损耗速率显著慢于Ag-In-Cd合金棒，如图1所示的核物理特性曲线。
实施例2
本实施例中，中子吸收材料为立方萤石结构的(Tb1.8,Dy0.2)HfO5，单个控制棒组件的初始中子吸收价值已明显高于相同规格的Ag-In-Cd合金棒，中子吸收价值损耗速率慢于Ag-In-Cd合金棒，如图2所示的核物理特性曲线。
实施例3
本实施例中，中子吸收材料为立方萤石结构的(Tb1.3,Dy0.7)HfO5，单个控制棒组件的初始中子吸收价值已明显高于相同规格的Ag-In-Cd合金棒，中子吸收价值损耗速率慢于Ag-In-Cd合金棒，如图3所示的核物理特性曲线。
通过实施例1至实施例3可知，本发明的中子吸收材料具有高价、低耗损的特点，在中子吸收价值和损耗速率两方面均较目前商用中子吸收材料Ag-In-Cd合金棒更具优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种长寿命中子吸收材料，其特征在于，它由名义组分为(Tbx,Dy2-x)HfO5（1.3≤x≤1.95）的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成，它为立方萤石结构，熔点高于1500℃以上，室温到熔化过程无相变；所述中子吸收材料可用作反应堆领域的中子反应功率控制和停堆，所述中子吸收材料具有高反应价值和低耗损速率的特点。
2.如权利要求1所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述中子吸收材料由名义组分为(Tb1.95,Dy0.05)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
3.如权利要求1所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述中子吸收材料由名义组分为(Tb1.8,Dy0.2)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
4.如权利要求1所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述中子吸收材料由名义组分为(Tb1.3,Dy0.7)HfO5的分散粉体、高致密度块状或圆柱状物体构成。
5.如权利要求1所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述中子吸收材料用于压水堆反应功率控制时，将中子吸收材料置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中形成密封结构，保证至少15个满功率年内与冷却剂相容性良好。
6.如权利要求5所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中的中子吸收材料为圆柱状，所述中子吸收材料的直径接近但小于细长管状物的直径。
7.如权利要求5所述的长寿期中子吸收材料，其特征在于，所述置于耐冷却剂腐蚀的细长管状物中的中子吸收材料为圆柱状，所述中子吸收材料在细长管状物中大部分为多段式布置。
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