TW543038B - Fiexible amorphous composition for high level radiation and environmental protection - Google Patents

Description

五、發明説明（1 JLgg背景 技藝範疇 本發明係關於可抵抗極端環境，特別是抵抗高輻射量之 材料範疇。 先前拮藝說明 核此及放射性物質似乎已造成無法克服的問題。大部分 民眾關心有關核能電廠、其設計及操作之周遭安全方面的 4題。看來安全的反應器係在人類卫程技術範圍内。所引 起，實㈣題極可能是再利用及處理核廢料所造成的環境 問題。不論再加工廢料以產生另外可分裂的物質（或從長期 此源需求的觀點來纟，最有效的替代物)或簡單&直接處理 笔料’必須將體積龐大之高放射性物質與環境長期隔離。 目前料畫方法係將放射性物f保存在深地f結構中並於 該處农退至無害。理想地，這些“深埋”的廢棄物可無監測 或人類管理地與環境保持隔離。不幸地，無法簡單地將廢 棄物傾倒在-孔洞中^這些物f持續產生熱，而且所放出 的輻射改變並削弱大部分材料。Μ容器易破裂及泡漏， 這使其不易均句地包含這些物質。再者，因轄射與許多遮 蔽材料作用而產生潛在爆炸性氣體，主要為氫氣。這此問 題衝擊廢棄物及核能Μ。^電廠或料容器的結構 變質及/或經歷氫爆炸，最安全的可能設計係制不大，、 在廢棄物方面，目前最好的方法係減少廢棄物以消除可 燃溶劑。錢玻璃化縮減的廢棄物或將其轉化成安定形 以防止環境遷移…般而言，將縮減的廢棄物（包括廢料棒）

放入：強且具抵抗力的容器中以運輸及拋棄之。理想地， 此容器呈現明顯的遮蔽性質以幫助運送及處理。在核電廠 方：，經常使用慣用遮蔽材料。希望在此類材料過度變質 之刖更換之或將電廠除役。不過’仍有製造特殊物質之重 要任務，#中該特殊材料對一般伴隨核電薇及放射性廢棄 物之輻射、熱及化學條件呈現不尋常的抵抗力。理想地 此類材料具有絲輕射的&質並可用於遮蔽及另夕卜2含縮 減之廢棄物和已除役或已受損核能設備。 ' 此類材料中最簡單及最粗糙的可能是混凝土。因為簡單 波特蘭陶瓷基底材料或類似附加遮蔽材料（如重金屬粒子）之 材：中的礦物内含物，這些物質提供核輻射遮蔽性。但是 ，簡單的混凝土無法在部份核能設備所提供之嚴袼化學2 件下長期存活。在許多應用巾，混凝土固有的易脆峻是一 個=題。受震或掉落時，這些材料可能產生破裂或汽漏。 液悲核廢棄物之混凝土槽的使用壽命係少於50年。混凝土 可有效地抵抗縮減的玻璃化廢棄物，但離理想仍有一秤距 離。也有許多有關較易應用且具有較佳遮蔽及/或物理= 之新穎遮敝圍堵材料的實驗。本發明者 、 奴a f已在美國專利第 中揭示此類材料。雖然其中所揭示的材料相對先 前技藝有極大進步，但其在所有方面仍未達理想狀態。此 材料顯示極大抗張強度，但對需特定柔韌 _ <馬用而言仍 不理想。此外，所揭示的調配物無法持續 氫氣(輻射分解)顯示出最佳抵抗力。鳥射引發生成 發明概要 -5-

543038 A7 ____B7__ 五、發明説明（3 ) 本發明為一種較佳核遮蔽材料，其起初是柔韌的因此可 有效地填滿輻射圍堵結構内的空隙。該材料係以非晶形有 機基質為基底而且對熱及輻射具抵抗力。在極高溫度下， 該材料被設計成經歷熱解並轉變成強陶瓷材料，其中該陶 瓷材料保有原材料之有利的輻射及氫抵抗力。 就此，此組合物係由數種不同組份群之均句混合物所組 成的。第一種組份為聚合物彈性體基質如兩部分自聚合系 統，像RTF矽酮橡膠並構成約1〇重量％-3〇重量％最終組合物 。第二種組份為一作為γ射線遮蔽物之材料，像碳化鎢粉末 ;該丫遮蔽材料構成約25重量❹/。-75重量％最終組合物。第三 種組份為一中子吸收/γ阻擋材料如碳化硼粉末並構成約5重 量％-10重量％最終組合物。第四種組份為一導熱材料如鑽 石粉末並構成約0重量％至5重量％最終組合物。第五種組份 為一耐高溫化合物如二氧化矽粉末，其構成約〇重量％至5重 量％最終組合物。第六種組份為也可賦予導電性之第二種中 子吸收化合物，即硫酸鋇粉末，其構成〇重量％至2重量％最 終組合物。最後，第七種組份為一容易吸收氫之氫氣抑制 組份-如海綿鈀或其他金屬性或金屬間化合物之材料_並構成 約2-8重量％最終組合物。 有機彈性體（第一種組份）較佳為兩部份組觸媒系統使所有 其他組份可均勻地混合在一起，然後均勻地混合成RTF的A 部分。最後，將RTF的B部分摻入該混合物，然後將其注入 最終處並於該處發泡、聚合及硬化。或者，將其他組份均 勻地摻合成一混合物。然後均勻摻合RTF之A部分及B部分 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 543038 A7 _ B7 五、發明説明（4 ) 並迅速地將此混合物與其他組份混合物摻合在一起並於發 泡物形成前，將所得混合物注入最終處並進行聚合加熱。又 發明詳細説明 ^、 提供下列說明以使任何熟諳此技者可製造及利用本發明 並提出本發明者完成其發明所思量之最佳模式。但是，各 種改良仍容易地為熟諳此技者所了 .解，因為本發明基本原 理已特別定義於此以提供一種較佳核遮蔽材料，其可抵抗 輻射誘發氫之生成所造成的損害。 本發明是一種較佳核遮蔽材料，其起初是柔韌的因此可 有效地填滿輻射圍堵結構内的空隙。該材料係以非晶形有 機基質為基底且可抵抗熱及輻射。在極高溫度下，該材料 被設計成經歷熱解並轉變成強陶瓷材料，其中該陶瓷材料 保有原材料之有利的輻射及氫抵抗力。就此，該組合物係 由高至數種不同組份群之均勻混合物所組成的。在此提供 簡短描述並詳細描述於下： υ —有機聚合物彈性體基質（理想地為兩部分自聚合系統 )(約10重量％-30重量％最終組合物）； 2) —γ射線遮蔽組份（例如，碳化鎢粉末，純度99%，較 佳平均粒徑為50-200微米）（約25重量％-75重量％最終組 合物）； 3) —中子吸收/γ阻擋組份（例如，碳化硼粉末，較佳平均 粒徑為50-200微米）（約5重量％-1〇重量％最終組合物）； 4) 一導熱組份（鑽石粉末，較佳平均粒徑為5〇-2〇〇微米）（ 〇重量％-5重量％最終組合物）； 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公董) 543038

5) —财高溫組份（二氧化矽粉末，較佳平均粒徑為5〇_2〇〇 微米）（0重量％-5重量％最終組合物）； 6) —中子吸收/導電性之增強組份（硫酸鋇粉末）（〇重量 5重量％最終組合物）；及 7) —氫氣吸收組份（海綿鈀或其他金屬或容易吸收氫之金 屬間化合物）（約2重量重量％最終組合物）。 第一種組份（第一個組份群）為一柔韌的有機基質，其中其 他所有組份皆均句懸浮其上。基質材料較佳係為柔韌矽橡 膠材料（如通用電子公司矽部門所製造之RTF 762)。此有機 彈性體為一兩部份觸媒系統，因此其他所有組份群可均勻 此。在起，然後均勻混入RTF的Α部分中（‘‘RTF，，代表“室 溫發泡物”）。最後，將RTF的B部分摻入該混合物中，然後 將其注入最終處並於該處發泡、聚合及硬化。或者，將組 伤2-7均勻地摻合成一混合物。然後均勻摻合之Α部分 與B部分亚迅速地將此混合物與2_7組份混合物摻合在一起 並於發泡物形成前，將所得混合物注入最終處並實質進行 加熱。 士該基質提供材料所需柔韌性、耐震盪性及抗張強度。視 ::物而A基貝可以多孔或非多孔形態存在。非多孔基 貝可以=TV(“室溫硫化”)夺酮橡膠產物形成。發泡材料的優 點為重！較輕及注入結構時可膨脹並填滿空隙的能力。此 目的係為消除所有大於約5釐米之空隙，因為在強輻射下， 此工隙會累積氫氣並有爆炸的危險。或者 、 爪）的使用可顯示較高強度及絲能力，其在特境(下

543038 五、發明説明（6 是有利的。 選擇Rtf作為基質材料時，一項重要 研究已顯_材:顯== 邛刀為知私基團之聚矽氧烷高的輻射 二卿之輕射抵抗力的研究說明芳；：：-項異戊 田“橡膠對輻射的抵抗力。笨并蔥、二菜其η 一 是最有效的。具有此添加劑經直 *非.，、、不 Λ/ί」七 、工照先之橡膠可承受400 :广量而結構無明顯變質。咸信芳族環提供一停分子 2:移：消散激發能量的路徑。此明顯降低照光時氫的釋 二 ，迫些聚合物中所含的芳族碳-碳鍵對輻射負 何及％境攻擊有抵抗力。本發明係特別偏好含有芳族基團 ，特別是笨开蒽、二苯基及菲基團之聚合物。 其他有機基質彈性體及聚合物也可用於本發明中，包括 矽氧烷、矽烷醇、乙烯基彈性體(如聚氯乙烯)及氟碳聚合物 及彈性體。此外，以含有芳族基團之聚合物為佳。 當基質提供基本強度及柔韌性時，其他六種組份提供各 種輻射抵抗力及/或提高基質之基本機械·物理性質。 組份2可提供極大γ射線遮蔽性。丫射線的遮蔽性是重要的 ，因為其限制危險γ射線在遮蔽容器（該處可能是生物危險 源）内的存在量，而且此遮蔽性限制基質材料暴露在強輻射 下。此暴路使基質逐漸變質並造成輻射分解產生氫，其可 能造成著火或爆炸的危險。在特高輻射通量的情況下，如 在核廢料容器中，較佳係以一或多種附加遮蔽化合物補充 組份2。此種遮蔽化合物一般為化學純重金屬粉末如錯 '竭 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) -9- 543038 五、發明説明（7 等==叙。這些選擇係取決於成本、重量及遮蔽需求 專相反因素之平衡。雖然純金屬粉末是有用的，但也可方 吏用遮蔽材料之鹽類。以碘化物鹽為特佳，因為碘本 身疋良好的遮蔽材料。 裝 系^化鎢作為第—種遮蔽材料（雖然也可使用金屬 :匕:為其物理上係與基質相容(即基質聚綱 \ 上）:，％且因為其可在熱解條件下形成陶堯組份。為 在目的，最好包含重金屬之氧化物如具有高炫點之飾及錯（ 和甚至更輕的陶瓷化合物如鎂及鋁氧化物)以形成一強陶瓷 材料;如耐火陶兗技藝中為人所了解的，避免包含陶莞氧 化物疋重要的，因為其可與低熔點形成共熔合金混合物。 陶瓷形成劑的添加係視情況選用的，而且係以導致承受言 於約900 C溫度之特定應用的可能性為基礎。 伤3的主要任務為吸收中子。因為本發明有機基質基本 σ被中子穿透，如與其他傳統遮蔽材料如混凝土相比， ,用本發明但無中子吸收劑將造成中子通量的增加。在某 一例子中，此甚至導致連鎖反應的危險性。所用的主要中 吸收蜊為领（但也參見組份6)。獨最好係以碳化删的形式 存在，因為與基質之物理相容性。但是，也可使用其他形 式的硼。例如，氮化硼可提供較佳導熱性及強度。而且f 可包含更“奇異’’的中子吸收劑如鎘及釓以補充硼。 組份4 ’鑽石粉末，是最終產物可耐高溫的部份原因。各 種.、他組伤之遮蔽金屬顯示相當高的導熱性並幫助將熱傳 出遮蔽材料，因此維持其有利的柔韌性及相關性質。但是 297公釐） -10- 543038 A7 B7

’鑽石粉末顯露極高的導熱性及強度和耐熱性（在非氧化^ 圍中）。因此，最好包含鑽石粉末以幫助保持基質溫度低= 可能導致熱解之溫度。因為各種遮蔽金屬對導熱性也有貢 獻，因此可忽略鑽石粉末，特別是在γ遮蔽材料係以 狀態存在時。 > 組份5，二氧化矽，是耐熱性及高溫強度的原因。熱解發 生時，二氧化矽可形成新生陶瓷的一部份。若包含其他陶 瓷形成金屬氧化物，可省略此組份。 組份6，硫酸鋇，也是有效的γ射線遮蔽物及中子吸收劑 。而且，其提供足夠的導電性以排掉本發明組合物與強輻 射通量間之作用所釋出的游離電子。這些電子可參與輻射 分解及氫的製造。排掉這些電流或短路可幫助避免輻射分 解及氫的形成。因為組份3的主要目的也是中子吸收，因此 特別當所包含的金屬性組份也可提高導電性時，可省略組 份6 〇 最後，包含組份7以處理所形成的氫，儘管使用遮蔽材料 及其他添加劑以減少其之形成。構成組份7之“氣體抑制劑，， 為容易在相當低的溫度及低氫分壓下吸收並鍵結氫的金屬 性及金屬間化合物◊這些材料包括，例如經由有機免化合 物之熱分解所產生的海绵絶及各種容易“氫化”的金屬如鋰 、鈣、銃及鈦。此外，這些金屬中數種具有足夠高的原子 量，故也可作為γ遮蔽物。特別感興趣的是金屬間化合物如 各種鋰鎳（“鋰氧”）化合物、鑭鎳化合物、釤鈷化合物、釔鎳 化合物及釔鈷化合物，其所有皆顯示極大的氫吸收能力。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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543038 A7 __B7 五、發明説明（9 ) 在某些情況下，高輻射通量使氫吸收劑-氣體抑制劑相當 快速地被氫飽和。當此發生時，氫將擴散穿過本發明組合 物，因為基質材料極易被氫滲透。將發生的第一件事為材 料中的孔洞（孔洞係遍布發泡物）將被氫填滿。當大氣中的氧 與氫在孔洞中混合時，此將導致爆炸危險。但是，此危險 可因發泡物之小孔徑而大幅降低。一般而言，孔洞係小於 活躍在氫氧化反應中之基團的平均有效痕量長度（在大氣壓 下，共計數厘米）。因此，可忽略產生一自身持續氧化迴路 的可能性’因為反應終止於孔壁上。最有可能的情況是氫 將逐漸滲入孔洞並取代孔洞中的其他氣體。最後，氫將平 穩地從材料表面釋出。因此，視氫的釋出速率而定，可能 需要提供某種通風系統以安全地收集並處理所釋出的氫氣。 最後’導熱性增強劑及其他預防措施無法將組合物保持 在低於1，000C之溫度下或因此組合物經歷一熱解轉變（一般 在1，100-1，200C)形成一極強的陶曼。在陶兗狀態下，組合 物的柔韋刃特徵係大幅喪失；但是，材料的整體遮蔽性質無 明顯改變。若輻射及相關條件根本可能使陶竞轉變，則鹿 做排出熱解所釋出之各種氣體的準備。供以處理氫流之通 風系統也可用於去除熱解氣體。 當組份的可能範圍十分廣時，下列是目前根據本發明較 佳有效核遮蔽組合物之“配方”。以重量計，主要組份是組 份2(純度為99.99%之碳化鎢粉末），其構成55重量％最終組 合物。組份3為碳化蝴與氮化硼之混合物，其中碳化物構成 4重虿％最終組合物及氮化物構成1重量％最終組合物。組份 -12- ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) -------_ 543038 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 4為工業鑽石粉末，其構成〇.5重量％組合物。組份5為石英 粉末，其構成4.5重量％最終組合物。組份6為硫酸鋇，其構 成3重量％最終組合物，而組份7為氣體吸附劑-抑制劑，其 構成7重量％最終組合物（這係由可產生4重量％之鑭/鎳與釤/ 鈷化合物的等重量混合物及可產生3重量％之其他可氫化鈦 所組成的）。 這些材料在工業混合器中撤底推合，直到混合物完全均 勻。然後將此混合物撤底摻入RTF材料A部分（其量等於20 重量％最終混合物）。最後，將5重量％最終混合物之RTF材 料B部分摻入並將材料注入一模型（或廢棄物容器的孔洞中） 並使其聚合。 本發明材料是柔韌的且及十分耐高溫及高輻射通量。若 保持在高溫下，其將轉變成強陶瓷，特別係如熟諳此技者 所了解以陶瓷金屬氧化物進行調配時。該組合物可用於任 何高輻射應用中作為遮蔽組份。特別適合的是核能電廠、 核燃料加工及再加工設備和核廢料儲存設備。例如，一項 本發明良好應用係用於為運送及/或儲存核廢料所設計的容 器中作為遮蔽材料。一此類容器可藉使容器尺寸適合保存 廢料棒組合製得。該容器最好係由一強且具熱/化學抵抗力 之金屬如不銹鋼製得。所製得之容器具有雙壁構造，其中 内壁與外壁間有一空間存在。此空間係被本發明組合物（較 佳係以發泡調配物形態）填滿。換言之，組份與矽酮橡膠A 部分完全混合之後，快速地將矽酮橡膠B部分混入並將所得 混合物注入容器空間中。混合物發泡以完全填滿空間並聚 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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五、發明説明（11 合以獲得 一见饥〜〜〜-分命的雙壁蓋子係沪 存更安全 相同線建造。遮蔽材料大幅衰減釋出的輻 。考 存更安全。 使運送及儲 因此應了解下列申請專利範圍包括上面特別說明及描述 的、概念相同者 '明顯可被取代的以及基本上可併入本發 明基本觀念的。熟諳此技者應了解可在不脫離本發明範圍 下規劃各種剛所描述較佳具體實施例之修改及改良。已提 出的說明性具體實施例只用於實例目的並不應拿其限制本 發明。因此，應了解在所附申請專利範圍内，可以異於在 此特別描述之方式實施本發明。 -14· 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 一種柔韌組合物，其可阻止高γ及中子輻射通量並顯露抵 抗高溫的能力，該组合物包含下列組份之均勻混合物·· 介於約10重量％-30重量％之有機聚合物以提供一柔韋刃 基質，其係選自由矽酮橡膠、矽氧烷、矽烷醇、乙焊基 彈性體及氟碳聚合物所組成之群； 介於約25重量％-75重量％之粉狀γ輻射遮蔽材料以增 加混合物的γ輻射遮蔽性，其係選自由鑄、錯、鋦、録、 銦及鉍所組成之群； 介於約5重量％-10重量％之中子吸收材料以增加混合 物的中子吸收力，其係選自由硼、鎘及釓所組成之群； 咼至約5重量％之鑽石粉末以增加混合物之導熱性； 高至約5重量％之粉狀二氧化矽以增加混合物之耐熱性； 高至約5重量％之硫酸鋇粉末以增加混合物之中子吸收 力及導電性；及 介於約2重量％與8重量％之氫吸收材料以吸收氫氣， 其係選自由鈀、鋰、鈣、鈦、銳、鋰鎳化合物、鑭鎳化 合物、釔鎳化合物、釤鈷化合物及釔鈷化合物所組成之 群。 2. 3. 4. 如申請專利範圍第1項之混合物，其中該有機聚合物包 含一矽酮橡膠。 如申請專利範圍第2項之混合物，其中聚合反應時調配 該矽酮橡膠以產生一柔韌發泡物。 如申請專利範圍第1項之混合物，其中該γ遮蔽材料包含 鑛0 ' -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) A8 B8

   ^如申明專利範圍第4項之混合物，其中該鎢包括碳化鎢。 •如申請專利範圍第1項之混合物，其中該γ遮蔽材料是金 屬性的。 。 如申明專利範圍第1項之混合物，其中該丫遮蔽材料為一 鹽。 .、、、 8·如申請專利範圍第7項之混合物，其中該鹽包含一蛾化 物。 9·如申請專利範圍第1項之混合物，其中該中子吸收材料 包含硼。 10·如申請專利範圍第9項之混合物，其中該硼包含碳化硼 、氮化爛及碳化硼與氮化硼之混合物中之一。 11 ·如申請專利範圍第1項之混合物，其中該粉狀二氧化矽 包含石英。 12·如申請專利範圍第1項之混合物，其中該氫吸收材料包 含海綿鈀。 匕 13·如申請專利範圍第1項之混合物，其中該有機聚合物為 矽酮橡膠發泡物，該γ輻射遮蔽材料為碳化鎢，該中子吸 收材料為一碳化硼與氮化硼之混合物及氫吸收材料包含 鈦、鑭鎳化合物及釤鈷化合物之混合物。 14. 一種高放射性物質用之容器，其包含： 一内容器； 一圍繞在該内容器周圍之外容器，其間有空間隔開，·及 一介於該内容器與該外容器間之空間，該空間係被申 請專利範圍第1項之組合物填滿。

   棠 訂 警 -16-

   543038 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 15. —種柔韌組合物，其可阻止高γ及中子輻射通量並顯露抵 抗高溫的能力，該組合物包含下列組份之均勻混合物： 介於約10重量％-30重量％之矽酮橡膠以提供一柔韌基 質； 介於約25重量％-75重量％之粉狀鎢以增加混合物的γ 輻射遮蔽性； 介於約5重量％-10重量％之粉狀硼以增加混合物的中 子吸收力； 高至約5重量％之鑽石粉末以增加混合物之導熱性； 高至約5重量％之粉狀二氧化矽以增加混合物之财熱性； 高至約5重量％之硫酸鋇粉末以增加混合物之中子吸收 力及導電性；及 介於約2重量％與8重量％之氫吸收材料以吸收氫氣’ 其係選自由鈀、鋰、鈣、鈦、銃、鋰鎳化合物、鑭鎳化 合物、釔鎳化合物、釤鈷化合物及釔鈷化合物所組成之 群。 16. —種高放射性物質用之容器，其包含： 一内容器； 一圍繞在該内容器周圍之外容器，其間有空間隔開；及 一介於該内容器與該外容器間之空間，該空間係被申 請專利範圍第1 5項之組合物填滿。 -17- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210Χ297公釐)

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