[發明專利]選擇性通過材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510410519.1
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN104934091B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 夏修龍;郝繁華;李毅;付中華;熊亮萍;謝波;肖成健;龔宇;侯京偉;張勤英;陳平
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 孫杰,曾曉波

技術領域

本發明涉及一種選擇性通過材料及其制備方法，尤其是一種透氦阻钚的選擇性通過材料及其制備方法，屬于材料技術領域。

背景技術

²³⁸Pu同位素溫差電池是將²³⁸Pu的α衰變熱能轉換成電能的一種電源，具有體積小、比功率高、可靠性高等特點，²³⁸Pu的半衰期更是長達87.4年，其使用壽命遠超普通化學電池和太陽能電池，因此在航天深空探測、海洋或極地信號采集、武器裝備等諸多領域中具有重大應用價值。

由于²³⁸Pu為極毒的放射性核素，為了防止²³⁸Pu的泄漏，必須將陶瓷化的PuO₂材料封裝在一個耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕的容器中，稱作燃料盒。同時，²³⁸Pu的α衰變率是6.335×10¹¹s^-1*g^-1,每克²³⁸Pu一年因α衰變釋放出來的氦氣約0.74cm³。如果產生的氦氣得不到有效釋放，隨著時間推移，燃料盒內壓力逐漸增大導致其最終破裂，造成²³⁸Pu放射性泄漏事故。燃料盒內壓力的存在，也會大大降低其抗沖擊性能，增加破損幾率。因此，燃料盒上必須設計有專門的透氦阻钚窗，在一定壓力和溫度下，氦能緩慢透出，而二氧化钚及其氣溶膠無法滲出。

透氦阻钚材料的設計與制造至關重要，也是²³⁸Pu同位素溫差電池研制的難點。美國在該透氦阻钚材料方面已有四十多年的研究，公開資料報道其使用非晶態金屬材料，成品率低且難以控制，詳細制備工藝迄今仍未公開，國內更無相關研究報道。非晶態金屬的制備可以通過將液態金屬急冷的方式制備，通過快速凝固阻止晶體的形成，使原子來不及恢復到正常的晶格結構就固定下來，形成類似液態無序的玻璃體結構，氦氣通過無序的孔道排出。然而，采用上述急冷工藝制得透氦窗材料后，還必須將其焊接到燃料盒上，在焊接熱處理過程，透氦窗材料微觀結構會發生非晶到晶體的轉化，影響透氦和阻钚性能。由于此種工藝制得的透氦窗是燃料盒力學性能的最薄弱部位，面積有限制，也很難通過后續的力學沖擊考核。由于上述原因，美國工藝制備的透氦窗成品率低且難以控制質量。

¹⁰B與中子的核反應：n+¹⁰B→⁷Li+⁴He。¹⁰B本身就是優異的中子吸收核素，上述反應具有很大截面，對于熱中子，截面3837巴恩。

發明內容

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種透氦阻钚的選擇性通過材料及其制備方法，以解決上述問題。

本發明采用的技術方案如下：

選擇性通過材料，所述材料上有用于氦氣通過的通道，該通道是由材料經中子照射產生氦，再通過氦氣釋放而形成的。

本發明的選擇性通過材料，材料基材的選擇原則是能夠滿足使用環境所需要的機械性能、能夠滿足氦氣釋放過程形成氦氣通道的性能、在中子照射中具有一定穩定性的性能，和后期在氦氣釋放過程處理中的穩定性。可根據選擇性通過材料使用的環境，在金屬材料、非金屬材料或無機材料中選擇合適的材料作為基材，較優的選擇金屬作為基材，如鈦、鈀、鉑和銅等；材料中含有在中子照射中產生氦的物質，典型的如含¹⁰B的單質或化合物，再通過氦氣釋放處理過程而形成該選擇性通過材料。

進一步的，所述材料的原料包含作為基材的金屬和含有¹⁰B的單質/化合物，并通過以下步驟制備：

（a）將粉末狀金屬和粉末狀¹⁰B的單質/化合物混合，通過燒結制得基體；

（b）將所得基體進行中子照射；

（c）將中子照射后的基體進行加熱處理以釋放中子照射產生的氦，而成選擇性通過材料。

為了提高金屬粉末和含¹⁰B粉末混合的均勻性，較好的，金屬粉末的粒徑為微米級，¹⁰B的單質/化合物粉末的粒徑為納米級。

所述步驟（a）中，粉末狀金屬和粉末狀¹⁰B的單質/化合物混合便于混合的均勻。所述燒結過程與粉末冶金原理相同，能夠形成具有機械強度的材料，并且能夠使其在步驟（a）中具備良好的氦釋放能力。