TW470973B - Nuclear resistance cell and methods for making same - Google Patents

Description

470973 Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（，） 發明脅景 1.發—明 本發月係關於防護與容納放射性物質之材料與組合物， 及特定放射性物質之領域。 2·發明 、若=年來尤其是在車諾比（Chernobyl)電場反應器幾乎,， ^化後，對於核能已有相當大之國際反感或顯明敵 心k典視於燃燒化石燃料之大氣層作用所造成全球氣候 =夂之經延實且成長中之危險。對於核能之主要反對立 % ’=來自於經由目前核反應器所產生長期留存放射性廢 料所造成看起來不能克服之危險與環境傷害。核廢料之潛 在％境傷害又必須設法與持續使用化石燃料之某些環境傷 害達成平衡。 知以明瞭的是，避免由於全球暖化所造成環境大災難之 唯一方式-除了返回工業化前經濟之外—是以核分裂為基 石疋者，取代習用電源。在未來某一天，以"污職"分裂為基 礎<電源，可被較乾淨之以融合為基礎之系統取代，但此 時核分裂似乎是唯一選擇。由於吾人目前並不明瞭任何消 除核廢料之方式，故吾人之目標必須是此廢料之安全處理 與包容。目前核燃料循環呈現許多潛在環境上不利之操 作。其包括核燃料之採礦與製造，此等燃料之分裂，及經 由操作反應器所呈現之危險，所用過燃料之裝置内儲存， 此等燃料之輸送與回收或處置。 其顯示安全反應器係在人類工程之掌握下。實際環境問 -4 - -IT I I I I H I ^ I I - ---訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

L y 470973 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（2 ) 題是因已用過核燃料之回收與處置所產生。無論 燃料是經過再處理，以產生其他可分裂材料（ 求看來，是最有效之替代方式），或者血_ p心。原* I ·»、娜疋已用過之妙料 僅只是直接處置，均有相當大量之高度放射性物質必須盥 環境隔離。目前可接受之處理方式是將放射性物料收容^ 深地質構造中，其可在該處衰減至無害程度，無需任何人 類介入。理想上，此等被"掩埋"之廢料，必須保持環境上 隔離，而未監視或人類監督。否則，人類文明之任何瓦解 均可能會導致放射性物料之災難性逃逸。意即，吾人不僅 只是將此廢料傾倒在孔洞中。此等物料會不斷地產生熱； 亦會產生其他可能爆炸之氣體，主要是氨氣。所放出^ 射，會改變及弱化大部份材料。目前最良好之處理方式是 排除溶劑以減少廢料。然後，使已被減少之廢料玻璃化， 或以其他方式轉化成安定形式，以防止環境潛移。雖然如 此，仍有製造特殊材料之重要工作，該材料對於通常伴隨 著放射性廢料之輻射、熱及化學狀態，顯示不尋常之抵抗 •性。理想上，此種材料具有輻射防護性質，並可用以屏^ 及裝入以其他方式減少之廢料。此種材料之另一項重要應 用，是將已除役或受到傷害之核子設備密封。 、 .心 最簡單且最粗糙之此種材料，可能是混凝土。由於在單 純波特蘭水泥爲基礎之材料或類似其他防護材料（例如重金 屬粒子）之材料中之礦物加入物，故此等物質係提供核輻射 t防護。但是，單純混凝土在由某些核廢料所提供之嚴厲 化學條件下，可能無法長期留存。液態核廢料之混凝土槽 -5- 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ill· — — — !---I · I------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 470973 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 桶，具有可使用壽命 玻璃化之廢料，更：Γ。混凝土對於被減量而被 驗使用：護包有容:料但 護及/或物理性質广:是科，，直其：易靡’並具有優越防 註實廣泛地成f Α到目“止’此等材料尚未 發明摘i :發明爲-種抵抗核輕射與高溫之防護材料，且尤其是 二性廢料以使其固定。此材料爲包含兩種或多 …昆合物，其中加入之填料係被交聯在聚合 二:氷物之苯基性側鏈中。其他填料係提供放射性防護 質1= 堇只是被包含在交聯基質中。此材料含有韌性基 卜有輻射防護物質與導熱性材料之嵌入粒子，且有整 ⑽mm屬性質。此材料爲熱㈣ ^ ::::料，如亀強度。此材科係由硫二 樹r及::橡膠!^合體、各種輻射防護加入物、聚醯亞胺 : 4曱私樹脂之混合物所组成。在以適當比例混合後 :、'材料係在高溫⑽。c)下定型。最後材料具有密度在每 丄万"尺8與科之間，依抗㈣加人物之比例與身分而定。 ，’ 附圖簡诚_ 述：：明之目的與特徵，咸認其係爲新穎的，其係特別敘 成盘=所附之中請專利範圍中。本發明，關於其機體組 並;:：右万式’以及其他目的與優點，可參考下文説明， 並心用有關聯之„，而獲得最良好地明瞭。 圖1表示本發明抗核材料結構之圖解表示圖。 本紙張聽 -6 - X 297¾ ) ----Ill--III--------I I I 1 I 訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470973

發明說明（4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 圖2爲咸認包含本發明材料聚合體主鏈之經醯亞胺化盘# 族聚醯亞胺之化學圖。 實施例之詳述 k供下文説明以使得任何熟諳此藝者能夠施行與利用本 發明，及敘述本發明人意欲涵蓋在内之進行本發明之最良 好模式。但是，對於熟諳此藝者而言，各種修正仍然是可 互即明瞭的，因爲本發明之一般原理，已被明確地定義於 此處，以提供易於應用且抵抗多種化學與物理攻擊之核 護材料。 人乃 本發明係提供一種防護與收容放射性廢料之新穎材料， 其具有優於混凝土之防護與物理性質。此材料爲非多孔性 ，因其含有韌性基質，具有輻射防護物質之嵌入粒子，及 具有似陶瓷性質之導熱表面。此僞陶瓷或陶瓷金屬結構， 會降低該材料之整體重量，同時實際上增加其有利物理性

質。由於此材料係意欲提供抗核性，故於本文中稱之爲 NRC(抗核蜂窩狀材料）。 A NRC係由兩種或多種有機聚合體所組成，其中加入之塡 料係被交聯在聚合體與共聚物之苯基性側鏈中。其他填= 係提供放射性防護，且可能僅只是被包含在交聯基質中。 NRC爲熱固性，且一旦被完全聚合，可呈現極端堅硬(大約 RockweURe^o^oopi剪切強度）材料，其不能透過廣範圍 之化學劑。長期曝露至極高溫度（2,2〇(rc )最 機基質分解。但是，各種填料與加入物係接著形成似陶竞 基質，因此NRC之整體性質仍然保持相對恒定。意即，其 -7- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） , . ---- I - I —III · I I I----- C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470973 A7

五、發明說明（5 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制取 防診能力f未顯著地受影嚮，且此陶瓷金屬結構，即使當 曝露至極高溫時，亦保持顯著物理強度。 NRC係經由將大約等重量比之配料丨與配料2混合與加熱 而製成。各配料含有最後材料之—部份交聯與防護系統。 所採用足基本熱固性樹脂系統，包括經硫化之氯化橡膠（生 橡膠）、聚醯亞胺樹脂及酚甲醛。加入各種輻射防護與其他 材料，以賦予強度與有利輻射性質。.本發明人將此等不同 成份想像成代表四種不同成份組之材料，藉由字母·，α,，、 ”B”、"C”及’_D”表示。如下文解釋，於各成份組中有多種替 代成伤。配料1係由成份組材料A與c組成，其中以成份組 A材料之重量計，成份組c材料較佳係以7·5與17·5%之間存 在。配料2係由成份組β與d材料之混合物所組成，其中成 份組Β材料之重量不超過成份組a材料在配料1中之重量， 且其中成份組D材料，以在相同配料2中之成份組b材料之 重量計，係包含0_5與7.5%之間。顯然地，配料1與配料2之 廣範圍組成是可能的，只要遵照下述指引即可，其中特定 配料1在組成上係配合特定配料2。 成份組A包含基質之彈性體部份。多種含有類異戊二晞 之橡膠型配料，可充作成份組A材料。有利之材料爲半合 ^硫化與氣化聚合體。意即，構成聚合體鏈之碳原子，帶 有共價結合之硫與氣原子。其他函素取代基亦適用。此種 類之市購可得配料，包括丁基橡膠，及其中尤其是可以 NEOPRENE®、THIOKOL⑧、KRATON® 及 CHLOROPREN® 之品牌 名稱取得之聚合體。亦可作爲成份組A之成員使用之其他 _8_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .—------------裝·-------tli-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470973 A7 B7 五 發明說明（6 ) 類似橡膠狀聚合體，係爲一般熟諳此項技藝者所習知。迄 今所製成之NRC材料，通常僅含有單一配料組A材料，但 沒有理由不能使用數種此等材料之摻合物，以獲得特定性 質。例如，使用數種更高度自化之材料，會增加對於某些 化學品（特別是有機溶劑）之整體抵抗性。其中败匸易於曝 露至有機溶劑之一種應用，可得利於使用更高度卣化之成 份組A材料。 〜 * ^ 成份組B材料包含多種聚醯亞胺或聚醯亞胺樹脂中之任 何一種，其含有一般結構爲CO—NR—c〇之聚合體醯亞胺鏈 結，其中nC”表7F碳原子，"0"表示氧原子，„N"表示氮原予 ，及"R"表示有機基團。”R”之可能性幾乎是無限的，但易 於獲得之聚醯亞胺樹脂係採用譬如甲基1四氫吡咯酮之r 基團。成份組B材料之可採用樹脂，包括以品牌名稱 與ENVEX®銷售之材料。此外，—#份或全部成份組β材料 可包含乙烯基聚二甲基樹脂。 添加成伤組c材料，主要是爲增加NRC之核輕射防護與抵 抗性。許多成份組C材料係爲鋇化合物及/或在週期表中 錢同-族元素之化合物。對於非核子與核子兩種應用而 言’可使用-或多種下述粉末，其應具有平均粒子大小不 超過約10微米直徑，且較佳爲低於約5微米直徑：氧化銘（ 被採用於特定配料1中之成份組A材料之約5_15重量％，且 較佳爲約ίο重量％);鋇化合物（達最高约35重量％)，莩如 硫酸_aS〇4)、碳酸_aC〇3)、鎖鐵氧體(職丨2〇丨9)、硝 酸鋇（Ba(N03)2)、偏侧酸_ _2〇4 · h2〇)、氧化賴（卿、 ----------------裝---------------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

470973 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 矽鉍鋇（BaSi03)、錘酸鋇（BaZr03)、丙烯酸鋇、曱基丙烯酸 鋇、烷氧化鋇、異丙氧化鋇及/或異丙氧化鋇鐵；鉛化合 物（最高達到成份組A材料之約35重量。/。），譬如碳酸錯 (II)((PbC〇3)2 · Pb(〇H)2)、鉻酸鉛（II)(PbCK)4)、氧化鉛鉬 (PbMo04)、硝酸鉛（n)(Pb(N〇3)2)、磷酸鉛（Pb3(P04)2)、氧化鉛 (ii)(pb〇)、氧化鉛（ii，ni)(Pb3〇4)、硬脂酸鉛⑻(Pb(Ci8H35〇2)2) 、丙晞酸鉛及/或曱基丙坪酸碑。特別考對核應用而言， 亦可添加碳化鎢、碳化鈦、氧化鉛、重金屬化合物及破— 包括碘化物與有機碘化合物—之粉末，但此五種附加材料 之總重量，較佳不應超過成份組A材料重量之約1〇。/。。再 者，全部前文列示粉末之總量，應佔成份組A材料重量之 約7.5-17.5% ;對核應用而言，全部前述成份組c材料之總量 ，較佳爲成份組A材料重量之約12.5-17.5%。 成份組D材料係包括兩個不同亞組。成份組d聚合材料係 對NRC提供熱固性質。此等材料係意欲與成份組a及b材料 反應及交聯。”原始型"成份組D聚合材料爲酚-曱醛樹脂（ 成份組B材料重量之至高約5%)。有廣範圍酚-曱醛樹脂可 以取得，且可用於本發明。此外，可直接添加曱醛（較佳爲 聚甲醛）。在此種情況中，可有利地添加酚性樹脂，替代酚 甲酸树如（遠材料係當場形成）。.或者，附加抗輕射性可經 由以舶乙烯基聚合體（有機鉑）取代聚甲醛配料而獲得。盼-甲醛及/或鉑乙烯基聚合體中任一種，均爲NRC組合物之 必要邵伤。一些其他材料可作爲成份組D添加物質使用。 此種對於聚甲醛或鉑乙烯基聚合體之添加劑，包括煙霧狀 ί IV------------ 装 -------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -10- 470973 A7

五、發明說明（8 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 碎膠與阿拉伯膠（其係充作黏合劑）。成份組D添加物質亦 可包括：氧化鎂（約1-8%，且較佳爲約3%，以全部成份組 D材料之重量計）；氧化錐（全部成份組D材料之約Μ%，且 較佳爲約2% );二氧化矽（全部成份組D材料之約M〇%，且 較佳爲約5%);氧化矽（全部成份組D材料之約“％);矽酸 釔（全邵成份組D材料之約2-10%，且較佳爲約4% );及碳。 此外，可使用氧化鐵及/或其他鐵化合物，譬如磷酸鐵 (FeP〇2)、矽化鐵（FeSi)及/或硫酸鐵仰)(Fe2 (s〇4 &)，但應代 表不超過成份組D材料總重量之2%。對於只有核應用而言 ，較佳係使用氧化锆、矽酸锆及氧化鐵。亦可使用二氧化 欽（最高達到成份組D材料重量之約1% )與氧化鈹（最高達 到成份組D材料重量之約1%)。雖然以未使用添加劑之曱 醛樹脂所製成之NRC，所形成之NRC一般而言係比有使用 添加劑之曱醛樹脂所製成之NRC較不有效，但是本發明人 意欲涵蓋未使用添加劑之甲醛樹脂，以製造NRC。 雖然在前述段落中所述之成份組c材料，係爲1^11(：之較佳 成份，但其中一部份可以省略，且所使用成份组c材料之 總重量，可低於成份組A材料重量之7·5%。例如，本發明 人意欲涵蓋僅使用氧化鋁與甲醛，以產生經設計以降低重 ΐ及增加導熱係數之NRC。此外，上文列示之鋇化合物、 上文列示之錯化合物、磷酸鐵、矽化鐵及/或硫酸亞鐵， 亦可用於減少成核作用。 以氧化鐵、二氧化鈦、矽酸錘、氧化锆及氧化鈹製成之 NRC，可使用於所有應用中，但較佳係使用於核污染區域 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 —— —— —--------裝------ - -訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470973 A7 B7 五、發明說明（9 ) 智 慧 財 員 工 消 費 中。含有自由態碳之NRC，較佳係不使用於核應用上，因 馬有著火之危險，尤其是於自由態氧存在下。雖然如此， 乂自由恐叙製成之NRC可使用於非核應用1，因其輕質且 不昂貴；其亦充作阻燃劑，惟當含有自由態碳之nrc燃燒時，會造成一氧化碳。 NRC係經由將兩種基本配料·,Γ與,，2,，混合在—起而產生， “匕3成伤組A、B、C及D材料，其中材料B爲聚醯亞胺 或聚酿亞胺樹脂（等於材料A重量之至高1〇〇%)。配料2包 ““生/熱固性及/或鉑乙烯基聚合體之各種組合。· 係經由將配料1與2 —起混合與加熱而產生。配料卜[成份組A材料+成份組c材料（A重量之7·5_175%)] 配料2 =[成份組B材料（不超過成份組八材料之重量成份組D材料（成份組Β材料重量之〇.孓7.5%NRC =配料1 +配料2 配料1包含成份組Α材料，與成份組〇材料預混合，以致 使材料C爲材料A重量之7·5_175%。配料2包含成份組β材科 ，，與成份組D材料預混合，以致使材料D爲材料B重量之“ 15%。或者，配料2可經由將㉟乙缔基聚合體（配料2重量之 约M5%)代替聚甲酸，—起混人成份組B材料中而製成。 然後，將兩種已預混合之配料，混合在_起，以致材料A 與材料B在預混合前之最初重量，較佳係彼此相等。 本發明人亦意欲涵蓋的是，成份—材料可包含舶酴樹 脂及/或銷乙缔系樹脂。對成份組_科使用鉑酚樹脂， 會產生NRC之較密緻變型。此較密緻變型對於核環境』用 計 線 -12- ____ _ - 1/1 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐

I 470973 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1〇 係爲較佳的，然而]士土、 而NRC<較不密緻變型，對於# 用，係爲較佳的。 對於非核％境應 將兩種配料混人力一 靜態混合器中進：。或者 應在高壓(至少約24〇〇細.) 合器，或使用=波=混:Γ由手，或使用標準混 能Μ厶哭A 4 為，或使用連接至超音裝置之靜 ^ y __ h、、4此，超音波混合器係爲較實用的。 配料1係經過超音，古：b人„口、 5态又一個旋轉喷嘴射出，而配料2 餘，另Γ個旋轉喷嘴射出。兩種配料係在混合器末端之 1方to狀颈内側〈半2中合併，並將所形成之混合物注入 模具中’其較佳係由鋁製成，或噴塗在一個表面上，所形 成（NRC係於此處開始熟化與聚合。對核應用而言，當與 非核應用比較時，NRC應被調配成在重量/體積上增加約 = 60’。，且較佳爲約5〇%。然後，使已混合之在高溫下 …化（260 C，約45分鐘）。此外，若在即骑與配料2混合 之前，將配料1加熱至12{rc，則所形成之可在僅約乃 分叙内熟化。NRC具有密度範圍從每立方呎約8至5〇磅，且 ’當在尚溫及壓力下熟化時，具有極端堅硬固體結構，具有 20,000 p.s.i.剪切強度。 ，.圖1表不各種成份組材料在經熟化NRC中交互作用之圖解 表不圖。彈性體成份組A材料，係連接至成份組〇材料之 黏合劑驗-甲酸樹脂，且此鏈結包括成份組D之各種黏合劑 /添加劑。同時，成份組A與成份組〇兩種材料，係交聯 至成份組B材料之醯亞胺聚合體。此整體經交聯結構，亦 包έ成份組C之成核作用阻斷劑。咸信藉由熱熟化所形成 -13 ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） - * 裝-----„---訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470973 A7 五 、發明說明（11 之主要聚合體主鏈結構，係經醯亞胺化且爲芳香性，示於 圖2中’其中R在一較佳組成中，係爲曱基-2-四氫吡p各酮。 陶资金屬性質係藉由各種添加劑提供，且當及若該材料受 到極端向溫度作用時，其具有強化及占優勢之傾向。 除了所請求要件之等效事物以外，目前或以後爲一般熟 爾此藝者已知之顯而易見取代物，係被界定在所定義要件 之範圍内。因此，應明瞭申請專利範,圍係包括明確地説明 與描述於上文者，於概念上等效者，可明顯地被取代者， 以及基本上併入本發明基本概念者。熟諳此藝者將明瞭剛 才所述較佳具體實施例之各種調節與修正，可在未偏離本 發明之範圍與精神下經設計。所示之具體實施例，僅爲達 舉例之目的而被提出，而不應將其取爲限制本發明。因此 ，應明瞭的是，在隨文所附申請專利範圍之範疇内，本發 明可以明確地描述於本文中以外之方式實施。 --- I ----------^4 --------— 訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 470973 A8 B8 __ C8 ^------ D8 1,1 ' __ 六、申請專利範圍 l 一種抗輻射熱固性組合物，其包含： 第一種組合物與第二種组合物之熱熟化混合物， 其中第-種組合物包含A組材料與c組材科之混合物， 以致使C組材料佔A組材料重量之5_2〇%，丨中:組材 料包括含有類異戊二晞之彈性體配料，且其中C組材 料包含核輻射防護配料；及 其中第二種組合物包含B組材料與D組聚合材料之混合 物，以致使D組材料佔B組材料重量之〇5_1〇%，其; B組材料包含聚醯亞胺、聚醯亞胺樹脂、舶紛樹脂及 銘乙烯系樹脂中之至少—種，且不超過A組材料在第 一種組合物中之重量，及其中〇組材料包含酚-甲醛 樹脂。 2.根據申請專利範圍第丨項之抗輻射熱固性組合物，其中 C組材料係選自以下清單，包括硫酸鋇、碳酸_、銷鐵 氧體、硝酸鋇、偏硼酸鋇、氧化鋇、矽酸鋇、錐酸鋇、 丙晞酸鋇、烷氧化鋇、鋇、異丙氧化鋇鐵、碳酸鉛、'鉻 酸鉛、氧化鉛鉬、硝酸鉛、正磷酸鉛、氧化鉛、硬脂酸 鉛、丙烯酸鉛與甲基丙烯酸鉛、碳化鎢、碳化鈦及碘。 3·根據申請專利範圍第1項之抗輻射熱固性組合物，其中 D組聚合材料進一步包含鉑乙晞基聚合物。 4·根據申請專利範圍第1項之抗輻射熱固性組合物，其中 D組聚合材料進一步包含D組添加劑。 5.根據申請專利範圍第4項之抗輻射熱固性組合物，其中 D組添加劑係選自包括煙霧狀矽膠、阿拉伯膠、氧化鎂 ____- d 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公f -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;A ----訂---------線— 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 470973 申5月專利範圍 磷酸 夕虱化矽、矽酸錯、碳、氧化鐵 6 亞鐵、二氧化鈦及氧化鈹。 .第豕利範圍第1項之抗轉射熱固性組合物，其t 弟一種組合物與第二種 組材料絲 、〇物又重量係經選擇，因此2 、、且材枓在罘一種組合物中之 二種組合物中之重量。 *、'、、且材料在| 7.根據申請專利範圍第1項之技輕射熱固性组合物甘 B组材科包含銷酚樹脂及/或柏乙缔系樹脂。-4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）