[發明專利]一種用于核廢料容器輻射防護的非晶合金涂層制備方法

在審

• 申請號: 202010142132.3
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111139422A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 李朝明;潘文高;李運紅;禹興利
• 申請（專利權）人: 上海離原環境科技有限公司
• 主分類號: C23C4/129
• 分類號: C23C4/129;C23C4/06;C22C45/02
• 代理公司: 上海灣谷知識產權代理事務所(普通合伙) 31289
• 代理人: 楊希

本發明公開了用于核廢料容器輻射防護的非晶合金涂層制備方法包括以下步驟：將Al₂O₃粉末和Fe?Cr?C?Si?Gd?B鐵基非晶合金粉末采用高速混合機進行混合；使用大功率超聲波對混合粉末進行超聲波篩分；將Al₂O₃粉末和鐵基非晶合金復合粉末烘干；以及采用超音速火焰噴涂法將復合粉末直接噴涂到核廢料容器表面。本發明用于核廢料容器輻射防護的非晶合金涂層制備方法提高Fe?Cr?C?Si?Gd?B鐵基非晶合金復合涂層與核反應堆廢料容器的結合力、致密度、非晶含量和耐磨性能，降低了非晶合金復合涂層的孔隙率，同時涂層具有優異的中子吸收能力。

技術領域

本發明具體涉及一種用于核廢料容器輻射防護的非晶合金涂層制備方法。

背景技術

一般每臺百萬千瓦級核電機組每年可卸出25t乏燃料，目前我國積累的乏燃料已達到1000t以上。目前國內外大部分乏燃料的貯存方式采用“濕式”貯存(即將乏燃料存放于水池的格架上)和“干式”貯存，干式貯存容器兼有貯存和運輸乏燃料的功能。核反應堆卸出的乏燃料具有極強的放射性，伴有一定的中子發射率，需在乏燃料水池中貯存一段時間，以使短半衰期的放射性核素絕大部分衰變掉，并帶走其衰變熱。處理乏燃料用的材料不僅要求具有高熱中子吸收能力，還需要高強度、耐高溫腐蝕、耐輻照、熱膨脹系數低等特點。目前國外使用的乏燃料貯運設備和格架材料主要為含硼鋼、硼鋁合金、B₄C/Al復合材料、含鎘～釓中子吸收材料、有機聚合物等。

有機聚合物如含硼聚乙烯屬于非金屬基中子吸收材料，其基體是非金屬，所以不具備良好的機械結構性能，因此只能作為單一的功能材料使用，且此類材料的抗輻照、抗腐蝕性能都不是很好，在強劑量的輻照場下，聚乙烯易老化變脆限制材料的使用。

現在常用的核廢料貯存和運輸容器主要由含硼鋼構成，但含硼鋼中的硼含量低，對熱中子和超熱中子的吸收能力低，中子吸收能力差，難以滿足核廢料的貯運，且含硼鋼和硼鋁合金硼含量低且隨著含量增高而強度下降；另外，鎘～釓材料易產生中子毒物。

B₄C/Al復合材料把鋁金屬的韌性、延展性、可成型性等優點與碳化硼陶瓷的硬度、耐燒蝕性以及低密度等優勢結合在一起，B₄C/Al復合材料具有低密度、高熱導率、良好的力學性能以及高的中子吸收能力，已經在國外得到應用，但該材料價格較高，無法大規模推廣應用。而B₄C/Al復合材料涂層+不銹鋼基體的組合為乏燃料處理提供了更為經濟的解決方案，然而要在滿足容器的結構強度要求的同時達到放射性屏蔽的目的，對在不銹鋼基體上設置復合材料涂層的工藝有著較高要求。中科院曾利用冷噴涂工藝在鋼基體上制備出B₄C/Al復合涂層。冷噴涂工藝是在低溫狀態下通過高速粉末顆粒撞擊基體時的塑性變形所形成的涂層。該方法所獲得的B₄C/Al復合涂層中，孔隙率在5％以下，結合力高于30MPa，厚度在500μm以上，B₄C顆粒在Al基體中基本均勻分布。但由于該工藝原理所限，所制備涂層與基體的結合力不高，孔隙率偏高，在含放射性、高腐蝕性復雜環境下長期使用時，容器表面易產生微小原電池而導致孔隙腐蝕，嚴重時涂層脫落。

非晶合金(也稱金屬玻璃)是一類原子排列長程無序的新型金屬結構材料，與普通合金和B₄C陶瓷相比，非晶合金沒有晶粒、晶界、位錯等缺陷的存在，因而表現出許多優異的物理化學性能，具有高彈性、高強度等一系列優異的力學性能，在航天、國防、能源等領域顯示廣闊的應用前景。而鐵基非晶合金具有低廉的原材料成本、優異的耐磨和耐腐蝕性能、出眾的熱穩定性等特性，使其在各種酸、海水、污水等腐蝕介質環境中得到應用。非晶合金中含有較高含量的B元素，具有優異的中子吸收能力，據國外文獻資料記載，非晶合金的中子吸收能力是不銹鋼和Ni基高溫合金(C22)的7倍，是硼鋼的3倍以上，因此非晶合金可用于核輻射防護領域的中子吸收材質。但由于非晶合金塑形變形能力差、斷裂韌性低，因此非晶合金不適合作為結構材料。