[發明專利]一種石蠟/碳化硼中子防護復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 202110597998.8
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113345615B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 劉向東;龐曉軒;吳早明;程亮;羅昊;鮮亞疆;張鵬程;李強;晏朝暉;劉炳剛;龍亮;段建國;吳彪
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: G21F1/10
• 分類號: G21F1/10;C04B26/26
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 劉小彬

本發明公開了一種石蠟/碳化硼中子防護復合材料及制備方法，屬于核防護材料技術領域，解決現有技術中采用熔鑄法制備時存在的組織不致密、碳化硼沉降團聚等問題。本發明的石蠟/碳化硼中子防護復合材料的制備方法，所述中子防護復合材料中石蠟含量為1?60wt％，其余為碳化硼，采用冷等靜壓法制備。本發明創造性地采用石蠟、碳化硼為原料，采用冷等靜壓法制備得到中子防護復合材料。本發明的石蠟/碳化硼中子防護復合材料碳化硼分布均勻、組織致密、性能優異，可兼具快中子、慢中子和熱中子慢化吸收雙功能，達到乏燃料后處理特定場合的中子防護要求。

技術領域

本發明屬于核防護材料技術領域，涉及用于核反應堆乏燃料組件貯存及放射性物質貯運等核輻射場所的防護材料制備方法，具體涉及一種石蠟/碳化硼中子防護復合材料及制備方法。

背景技術

核能是一種清潔低碳、供給可靠性高、可大規模利用的非石化能源，是我國現代能源體系中的重要組成部分。隨著我國核電的迅速發展，大量乏燃料的安全貯存、運輸和后處理成為一個不可回避的問題。乏燃料中包含有大量的放射性元素，具有很強的放射性，特別是在乏燃料后處理的尾端階段，乏燃料中主要包含Pu、U、Am、Np、Cm等裂變元素，這些裂變元素會發生嬗變反應產生較多的快中子，平均能量約為2MeV，必須進行有效的輻射防護。針對這類快中子的屏蔽防護主要包括兩個過程：快中子與重核元素發生非彈性散射或與輕核元素發生彈性散射，慢化成能量較低的熱中子；熱中子被吸收截面較大的元素俘獲吸收。

中子防護復合材料是實現該類輻射防護要求的重要手段與載體。目前針對中子防護，常用的防護材料主要有鉛硼聚乙烯、含硼聚丙烯等聚烯烴基防護材料、含硼混凝土、硼鋼、鋁基碳化硼中子吸收材料等。聚烯烴基防護材料的軟化點低，熱膨脹系數較大，導致屏蔽復合材料結構穩定性差，在輻照作用下會產生氫氣、甲烷等易燃易爆物質，存在安全隱患，而且制備工藝復雜，工藝周期長，不能滿足某些特殊應用場合對屏蔽材料的應用靈活性和施工多樣性的要求。含硼混凝土、多用于大型防護裝置的輻射屏蔽，由于硼元素的加入會對混凝土的凝結硬化及混凝土的力學性能產生影響，因此混凝土中硼元素的含量不能很高，這類材料對成型過程及施工條件有很高要求，且材料的屏蔽性能與其它物理力學性能很難兼顧。硼鋼等金屬防護材料厚度大、重量大、體積大，且中子輻照使材料內部產生輻照損傷，惡化材料性能。鋁基碳化硼中子吸收材料具有優異的中子防護功能，但其通常是針對熱中子吸收的中子防護材料，對能量較高的快中子防護能力較弱。

石蠟是中子慢化效果優良的材料之一，而且兼具相變溫度可控、化學性質穩定、腐蝕性低、安全無毒、環境友好、制備成型性好、成本低廉等優點，B₄C中¹⁰B的熱中子吸收截面高達3840barns，是混凝土的50多倍，可在很寬的中子能量范圍內發生¹⁰B(n,α)⁷Li嬗變反應，有效的吸收熱中子，吸收中子后衰變時無放射性同位素產生，二次輻射能量低(0.5MeV)易屏蔽，同時還具有熔點高、密度低、耐酸堿、化學穩定、抗輻照、制造成本低等優點。通過將石蠟和碳化硼進行有效復合而制備成中子防護材料，可滿足乏燃料后處理過程中對具有良好慢化吸收/屏蔽效果、質地輕、體積小、耐輻照材料有迫切需求。

發明內容

本發明的前期研究發現，石蠟/碳化硼復合材料可通過熔鑄法制備。但由于熔化后的石蠟凝固周期較長，石蠟的密度(0.8-0.9g/cm³)和碳化硼的密度(～2.5g/cm³)差異大且碳化硼不溶于石蠟，碳化硼在熔化的石蠟中會不斷的沉淀，因此較難實現碳化硼在石蠟中的均勻分布，碳化硼的均勻性直接影響中子慢化吸收雙功能材料的物理性能和防護性能；另外，熔化的石蠟在凝固時會有較大體積的收縮，澆注制備過程中極易由于體積變化量過大而導致石蠟表面及內部出現孔洞缺陷，從而使得性能降低。

本發明的目的之一在于，提供一種石蠟/碳化硼中子防護復合材料的制備方法，解決現有技術中采用熔鑄法制備時存在的組織不致密、碳化硼沉降團聚等問題。

本發明的目的之二在于，提供采用該方法制成的石蠟/碳化硼中子防護復合材料。