CN113539535A - 中子屏蔽件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种中子屏蔽件及其制造方法，包括固化成型的硼铁粉和混凝土的混凝土屏蔽材料，密度为2.3g/cm3‑4.0g/cm3，其中，硼铁混凝土屏蔽材料中包括硼铁粉和混凝土，硼铁混凝土屏蔽材料中含有5％‑40％的硼铁粉；所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素的占比为8％‑13％，由于在硼铁粉中的硼元素是纯硼元素，不是硼的化合物，使得对热中子和超热中子有更好的吸收效果，屏蔽效果有较大程度的提高。并且，只有这样比例的硼铁粉与混凝土混合的材料利于固化成型，均匀性更好，使得屏蔽件具有更加适合的强度，具有更好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于中子辐射屏蔽领域，具体涉及一种中子屏蔽件及其制造方法。
背景技术
中子是组成原子核的核子之一，不带电，具有穿透能力强、易发生核反应等特点，因此中子是研究核反应很好的探针粒子，同时也是在核能开发应用中占据主导地位的粒子。从反应堆到各种核装置都离不开对中子的屏蔽。反应堆中产生的中子通常是麦克斯分布的连续中子谱，高能粒子加速器轰击散裂靶产生的中子能力可以达到上百兆电子伏特以上。
所有的核设施和核装置都需要很好的屏蔽防护，以保证周围人员的安全。同时在引出中子束线上，也需要对散射中子有很好的屏蔽，以保证低实验厅本底，满足实验需求。能谱很宽的中子束通常称为白光中子束，能区覆盖从热中子到快中子。高能质子与材料相互作用或者高能中子与材料相互作用都会产生各种能量的较低能的中子，同时中子在材料中会发生慢化，相互作用的附近就会产生白光中子场。
不同能量的中子与不同原子核反应具有非常不同反应特点，特别和中重核反应有很宽的共振区，因此，单质材料对白光中子屏蔽效果差。白光中子的屏蔽需要采用复合元素的材料实现。现有技术中，对于白光中子的屏蔽措施采用组合材料的方式，如铁加混凝土的方案。但是，现有技术中的屏蔽方案的对于白光中子的屏蔽效果不够理想，屏蔽作用还有待提高。
发明内容
本发明提供一种中子屏蔽件及其制造方法，使得能够对白光中子束实现更好的屏蔽效果。
根据第一方面，一种实施例中提供一种中子屏蔽件，包括硼铁粉和混凝土制成的硼铁混凝土材料，为固体，密度为2.3g/cm3-4.0g/cm3，硼铁粉在所述硼铁混凝土材料中的占比为5％-40％，其中，所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素在硼铁粉中的占比为8％-13％。
可选的，所述硼铁混凝土屏蔽材料中，包括：0.50％-5.00％的硼元素、0.60％-1.00％的氢元素、0.06％-1.00％的碳元素、31.00％-51.00％的氧元素、0.90％-1.55％的钠元素、0.10％-0.20％的镁元素、2.00％-3.50％的铝元素、20.00％-33.00％的硅元素、0.70％-1.30％的钾元素、2.60％-4.50％的钙元素以及5.0％-37.00％的铁元素。
可选的，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为5％时，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有0.53％的硼元素和5.8％的铁元素。
可选的，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为10％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有1.06％的硼元素和10.2％的铁元素。
可选的，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为20％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有2.1％的硼元素和3.5％的铁元素。
可选的，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为40％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有4.2％的硼元素和36.0％的铁元素。
可选的，所述屏蔽件为长、宽和高分别为200mm、100mm和50mm的块状硼铁混凝土材料。
根据第二方面，一种实施例中提供一种中子屏蔽件的制造方法，包括：
提供硼铁粉，所述硼铁粉中纯硼元素的占比为8％-13％；
提供混凝土，并在混凝土中掺入所述硼铁粉，充分搅拌均匀，形成含所述硼铁粉含量为5％-40％的硼铁混凝土屏蔽材料；
将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型，密度为2.3g/cm3-4g/cm3。
可选的，所述硼铁粉中纯硼元素的占比为8％-13％，包括：
在液态铁水中掺入硼酸，形成含8％-13％纯硼元素的硼铁合金块；
对所述硼铁合金块进行粉末化处理，形成硼铁粉。
可选的，将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型，还包括：
将固化成型的所述硼铁混凝土屏蔽材料制成形状大小均相同的块状屏蔽砖块。
依据上述实施例的中子屏蔽件及其制造方法，包括固化成型的硼铁粉和混凝土的混凝土屏蔽材料，密度为2.3g/cm3-4g/cm3，其中，硼铁混凝土屏蔽材料中包括硼铁粉和混凝土，硼铁粉中含有5％-40％的硼铁粉；所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素的占比为8％-13％，由于在硼铁粉中的硼元素是纯硼元素，不是硼的化合物，使得对热中子和超热中子有更好的吸收效果，屏蔽效果有较大程度的提高。并且，只有这样比例的硼铁粉与混凝土混合的材料利于固化成型，均匀性更好，使得屏蔽件具有更加适合的强度，具有更好的应用前景。
附图说明
图1为白光中子束及其经过纯硼铁及不同硼铁粉含量的混凝土后中子能谱示意图；
图2为经过纯硼铁及不同硼铁粉含量的混凝土后白光中子透射率示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
由背景技术可知，现有技术中的用于白光中子屏蔽的屏蔽材料效果不够理想。
分析可知，白光中子能区覆盖热中子、慢中子、中能中子以及快中子，对于白光中子的屏蔽需要多种材质组合采用以进行屏蔽，现有铁加混凝土的方案仅对低能中子能够起到一定的吸收效果，但是对于中能中子以及快中子的吸收效果较差。经研究可知硼元素可以对热中子到快中子起到一定的吸收效果，但是，目前没有合适组合或者比例工艺使得硼元素能够应用并制作成可用于白光中子屏蔽的固态屏蔽件。
在本实施例中的中子屏蔽件，包括固化成型的硼铁混凝土屏蔽材料，密度为2.3g/cm3-4.0g/cm3，其中，硼铁混凝土屏蔽材料中包括硼铁粉和混凝土，硼铁粉中含有5％-40％的硼铁粉；所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素的占比为8％-13％，这样比例的硼铁粉与混凝土混合的材料利于固化成型，能够对热中子和超热中子有更好的吸收效果，对于白光中子的屏蔽效果大大提高。
本实施例中提供一种能够用于白光中子屏蔽的中子屏蔽件，所述中子屏蔽件是密度为2.3g/cm3-4g/cm3的硼铁混凝土屏蔽材料，其中，硼铁混凝土屏蔽材料中含有5％-40％的硼铁粉；所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素的占比为8％-13％。
本实施例中，所述中子屏蔽件是硼铁粉和混凝土混合并制成的固体块，硼铁粉是硼元素和铁元素混合制成的硼元素和铁元素混合物，本实施例中，硼铁粉中的硼元素占比8％-13％，使得所制成的中子屏蔽件对白光中子有更好的屏蔽效果。如果硼铁粉中的硼元素低于8％，则所制成的中子屏蔽件对白光中子的屏蔽效果较差，如果硼铁粉中的硼元素高于13％，则可能无法固化成型，或者所制成的中子屏蔽件的强度会非常差，不能满足日常使用。
本实施例中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中，包括硼元素、铁元素以及混凝土，混凝土中可以包括氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾以及钙等元素，则，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数可以为：0.50％-5.00％的硼元素、0.60％-1.00％的氢元素、0.06％-1.00％的碳元素、31.00％-51.00％的氧元素、0.90％-1.55％的钠元素、0.10％-0.20％的镁元素、2.00％-3.50％的铝元素、20.00％-33.00％的硅元素、0.70％-1.30％的钾元素、2.60％-4.50％的钙元素以及5.0％-37.00％的铁元素。
图1为白光中子束及其经过纯硼铁及不同硼铁粉含量的混凝土后中子能谱示意图。参考图1，其中，真空中子能谱101，纯硼铁粉能谱100，纯混凝土中子能谱102，含5％硼铁粉的混凝土103，含10％硼铁粉的混凝土104，含20％硼铁粉的混凝土105，含30％硼铁粉的混凝土106，含40％硼铁粉的混凝土107；图2为经过纯硼铁及不同硼铁粉含量的混凝土后白光中子透射率示意图。参考图2，其中，纯硼铁粉中子能谱/真空200，纯混凝土中子能谱/真空202，含5％硼铁粉的混凝土/真空203，含10％硼铁粉的混凝土/真空204，含20％硼铁粉的混凝土/真空205，含30％硼铁粉的混凝土/真空206，含40％硼铁粉的混凝土/真空207。可以看出，热中子及超热中子能区的中子的透射率非常低，起到很好的吸收效果。在铁共振区附近也起到对较高能量中子的很好屏蔽效果。同时借助于混凝土中多种元素的综合作用，可以发现在快中子能区的中子透射率也有很大的下降。可知，当硼铁粉占比为5％-40％时，均能够对白光中子起到较好的屏蔽效果。
一些实施例中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中的硼铁粉含量可以为5％，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有0.53％的硼元素和5.8％的铁元素。本实施例中，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数按照硼、氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、铁顺序分别为：0.530％、0.950％、0.095％、50.265％、1.520％、0.190％、3.218％、32.017％、1.235％、4.180％、5.801％。
一些实施例中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量可以为10％，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有1.06％的硼元素和10.2％的铁元素。本实施例中，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数按照硼、氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、铁顺序分别为：1.059％、0.900％、0.090％、47.620％、1.440％、0.180％、3.048％、30.332％、1.170％、3.960％、10.201％。
一些实施例中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量可以为20％，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有2.1％的硼元素和3.5％的铁元素。本实施例中，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数按照硼、氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、铁顺序分别为：2.118％、0.800％、0.080％、42.329％、1.280％、0.160％、2.710％、26.962％、1.040％、3.520％、19.002％。
一些实施例中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量可以为30％，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有3.0％的硼元素和27.0％的铁元素。本实施例中，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数按照硼、氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、铁顺序分别为：3.177％、0.700％、0.070％、37.037％、1.120％、0.140％、2.371％、23.591％、0.910％、3.080％、27.803％。
一些实施例中，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为40％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有4.2％的硼元素和36.0％的铁元素。本实施例中，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数按照硼、氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、铁顺序分别为：4.236％、0.600％、0.060％、31.746％、0.960％、0.120％、2.032％、20.221％、0.780％、2.640％、36.604％。
可以理解的是，硼铁混凝土屏蔽材料中的铁元素包括原本混凝土材料中的铁元素以及硼铁粉中的铁元素。
本实施例中，所述屏蔽件为长、宽和高分别为预设值的屏蔽砖块，这样使得屏蔽件的大小形状标准化，能够更好的根据需要进行组合应用。
本实施例中，所述屏蔽件为长、宽和高分别为200mm、100mm和50mm的块状的硼铁混凝土材料制成的砖块，更便于使用。
本实施例中还提供一种中子屏蔽件的制造方法，步骤包括：
首先，提供纯硼元素的占比为8％-13％的硼铁粉。
本实施例中，所提供的占比为8％-13％的硼铁粉通过如下步骤制得：
第一步，在液态铁水中掺入预设量的硼酸，由于液态铁水温度较高，使得硼酸中的碳、氢、氧等元素在高温下挥发，从而铁水中只剩下硼元素，将其充分混合均匀，形成含8％-13％纯硼元素的硼铁合金块。
第二步，使用磨床对所述硼铁合金块进行粉末化处理，形成硼铁粉，硼铁粉可以更好更均匀的与混凝土进行混合。
然后，提供混凝土，并在混凝土中掺入所述硼铁粉，充分搅拌均匀，使形成含所述硼铁粉含量为5％-40％的硼铁混凝土屏蔽材料。
需要说明的是，本实施例中，所提供的混凝土为低钠混凝土，使得所制得的中子屏蔽件不容易被活化，提高其使用寿命。
本实施例中，所形成的硼铁混凝土中，包括硼元素、铁元素以及混凝土，混凝土中可以包括氢、碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾以及钙等元素，则，硼铁混凝土屏蔽材料中各个元素所占的质量分数可以为：0.50％-5.00％的硼元素、0.60％-1.00％的氢元素、0.06％-1.00％的碳元素、31.00％-51.00％的氧元素、0.90％-1.55％的钠元素、0.10％-0.20％的镁元素、2.00％-3.50％的铝元素、20.00％-33.00％的硅元素、0.70％-1.30％的钾元素、2.60％-4.50％的钙元素以及5.0％-37.00％的铁元素。
最后，将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型，密度为2.3g/cm3-4.0g/cm3。
本实施例中，将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型时，可以包括将固化成型的所述硼铁混凝土屏蔽材料制成形状大小均相同的块状屏蔽件。这样使得所制造出来的屏蔽件的大小形状标准化，能够更好的根据需要进行组合应用。
本实施例中，所述屏蔽件为长、宽和高分别为200mm、100mm和50mm的屏蔽砖块，便于根据需要进行排列使用。
本实施例中的中子屏蔽件能够实现混凝土和硼铁的混合屏蔽效果，由于在硼铁粉中的硼元素是纯硼元素，不是硼的化合物，使得对热中子和超热中子有更好的吸收效果，屏蔽效果有较大程度的提高。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种中子屏蔽件，其特征在于，包括：硼铁粉和混凝土制成的硼铁混凝土材料，为固体，密度为2.3g/cm3-4.0g/cm3，硼铁粉在所述硼铁混凝土材料中的占比为5％-40％，其中，所述硼铁粉中包括硼元素和铁元素，硼元素在硼铁粉中的占比为8％-13％。
2.如权利要求1中所述的中子屏蔽件，其特征在于，所述硼铁混凝土屏蔽材料中，包括：0.50％-5.00％的硼元素、0.60％-1.00％的氢元素、0.06％-1.00％的碳元素、31.00％-51.00％的氧元素、0.90％-1.55％的钠元素、0.10％-0.20％的镁元素、2.00％-3.50％的铝元素、20.00％-33.00％的硅元素、0.70％-1.30％的钾元素、2.60％-4.50％的钙元素以及5.0％-37.00％的铁元素。
3.如权利要求1所述的中子屏蔽件，其特征在于，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为5％时，其中，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有0.53％的硼元素和5.8％的铁元素。
4.如权利要求1所述的中子屏蔽件，其特征在于，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为10％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有1.06％的硼元素和10.2％的铁元素。
5.如权利要求1所述的中子屏蔽件，其特征在于，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为20％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有2.1％的硼元素和3.5％的铁元素。
6.如权利要求1所述的中子屏蔽件，其特征在于，当所述硼铁混凝土屏蔽材料中硼铁粉含量为40％时，所述硼铁混凝土屏蔽材料中至少含有4.2％的硼元素和36.0％的铁元素。
7.如权利要求1所述的中子屏蔽件，其特征在于，所述屏蔽件为长、宽和高分别为200mm、100mm和50mm的块状硼铁混凝土材料。
8.一种中子屏蔽件的制造方法，其特征在于，包括：
提供硼铁粉，所述硼铁粉中纯硼元素的占比为8％-13％；
提供混凝土，并在混凝土中掺入所述硼铁粉，充分搅拌均匀，形成含所述硼铁粉含量为5％-40％的硼铁混凝土屏蔽材料；
将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型，密度为2.3g/cm3-4.0g/cm3。
9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，提供硼铁粉，所述硼铁粉中纯硼元素的占比为8％-13％，包括：
在液态铁水中掺入硼酸，形成含8％-13％纯硼元素的硼铁合金块；
对所述硼铁合金块进行粉末化处理，形成硼铁粉。
10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，将所述硼铁混凝土屏蔽材料固化成型，还包括：
将固化成型的所述硼铁混凝土屏蔽材料制成形状大小均相同的块状屏蔽砖块。
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