[發明專利]一種耐高溫耐輻照無機屏蔽材料

在審

• 申請號: 201710600246.6
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107342113A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 李圓圓;李統業;潘小強;楊靜;吳瑩;張良
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21F1/02
• 分類號: G21F1/02;G21F1/04
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220
• 代理人: 廖慧敏

技術領域

本發明屬于輻射防護與核安全技術領域，應用于同位素中子源，核反應堆等中子放射源或中子伽瑪復合放射源的防護領域，具體是指一種耐高溫耐輻照無機屏蔽材料。

背景技術

同位素中子源與反應堆使用過程中均會釋放出中子射線，中子射線的防護一般選取含氫量高，中子吸收截面大的材料屏蔽，常用的中子屏蔽材料為聚乙烯、硼聚乙烯、鉛硼聚乙烯、混凝土材料、硼鋁、硼鋼等。聚乙烯、硼聚乙烯、鉛硼聚乙烯含氫量高，中子屏蔽效果好，但其軟化溫度較低，最高使用溫度不超過80℃，混凝土材料對中子與伽瑪射線均具有一定的屏蔽效果，但其屏蔽效率較低。硼鑄鋼、硼不銹鋼、硼鋁等材料使用溫度較高，對熱中子吸收效果好，但材料中無中子慢化組分，對中能中子與快中子屏蔽能力差，而對于大多數屏蔽工程來說，中能中子與快中子是屏蔽的難點，也是需要重點防護的對象。最新研制的環氧樹脂基屏蔽材料最高使用溫度不超過160℃。《Development of 300℃heat resistant boron-loaded resin for neutron shielding》所描述的中子屏蔽材料耐熱溫度可達300℃，但仍處于實驗室研制階段，且當材料加熱到200℃有NH₃、CO₂、H₂O等氣體放出，存在熱老化問題，其長期使用溫度仍待近一步測試。

有機屏蔽材料在高溫與輻照環境下使用時，不可避免的面臨輻照老化與熱老化的問題。隨著服役時間的增加，高分子材料會不斷分解，分子鏈斷裂，力學強度下降，最終會失去強度而不能使用。目前船用反應堆的屏蔽設計對中子屏蔽材料的使用溫度提出了更高的要求，如反應堆金屬保溫層后的第一層中子屏蔽材料使用溫度高達200℃以上，目前無材料可用。

基于此，研究并開發設計一種耐高溫耐輻照無機屏蔽材料。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種耐高溫耐輻照中子屏蔽材料，以無機膠凝材料、屏蔽功能組分為主要組分，長期使用溫度可達到230℃，氫含量>0.05g/cm³，解決了傳統有機屏蔽材料在服役中所面臨的輻照老化與熱老化問題以及在高溫環境下無中子屏蔽材料可用的問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種耐高溫耐輻照無機屏蔽材料，包括無機膠凝材料、屏蔽功能組分，屏蔽功能組分為氫氧化物、中子吸收組分、伽瑪射線屏蔽組分中的任意一種或大于等于兩種以上組分的組合。

本技術方案中以無機膠凝材料為主要成分，具有粘結作用、中子慢化作用。無機膠凝材料可具體為鋁酸鹽水泥，鋁酸鹽水泥水化后的水化產物結晶水含量高，脫水溫度高，力學強度高，中子慢化效果好，能與其他不與水泥反應的物質粘結在一起，并具有較高的強度。本技術方案所述的無機膠凝材料還可為硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥，膠凝材料水玻璃，膠凝材料石灰，膠凝材料石膏等。

屏蔽功能組分中的氫氧化物，其單位體積氫含量高，成本低，脫水溫度高，具有較好的中子慢化效果，氫氧化物優選化學性能穩定的氫氧化鋁、氫氧化鎂。

中子吸收組分，為中子吸收截面大的化合物或單質，如含釓或硼元素的中子吸收截面積大的化合物，能夠有效吸收經慢化后的中子。當中子射入屏蔽材料時，先由無機膠凝材料的水化產物與氫氧化物慢化，再由中子吸收組分吸收，具有較高的中子屏蔽效率。該中子屏蔽材料可根據中子源項的能譜調節屏蔽材料中氫氧化物與中子吸收組分的比例，以達到最佳的屏蔽效率，節省屏蔽體的重量與體積。

伽瑪射線屏蔽組分為含鐵、鉛、鎢、鉭、貧鈾中任一元素的單質粉或化合物，主要用于伽瑪射線復合屏蔽。

本技術方案中所述屏蔽材料的具體組合為：1)包括無機膠凝材料、氫氧化物；2)包括無機膠凝材料、氫氧化物、中子吸收組分；3)包括無機膠凝材料、氫氧化物、中子吸收組分、伽瑪射線屏蔽組分；4)包括無機膠凝材料、中子吸收組分；5)包括無機膠凝材料、中子吸收組分、伽瑪射線屏蔽組分。