梯度式高分子基中子吸收柵板材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了梯度式高分子基中子吸收柵板材料，該材料包括快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層，三種吸收層梯度層壓而成；快中子慢化吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氟化鋰、氫化鋰或碳化硼的吸收體材料；中能中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釤的中子吸收體材料；熱中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釓或氧化鎘的中子吸收體材料。本發(fā)明還公開了梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，梯度式高分子基中子吸收柵板材料具有吸收效率高、壽命長、力學(xué)性能高、工藝簡單等特點(diǎn)，而且對γ光子有一定的吸收效果，可用于乏燃料貯存與其他類型中子源，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】梯度式高分子基中子吸收柵板材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種梯度式高分子基中子吸收柵板材料。
[0002]本發(fā)明還涉及一種梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法。主要應(yīng)用在乏燃料柵板材料與中子防護(hù)的領(lǐng)域內(nèi)。

【背景技術(shù)】
[0003]我國是目前世界上擁有在建核電機(jī)組最多的國家，按2007年頒布的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國核電裝機(jī)容量將達(dá)到4000萬千瓦(后經(jīng)調(diào)整，目標(biāo)為8000萬千瓦)。國際原子能機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，一座裝機(jī)容量1000兆瓦的反應(yīng)堆，每年將產(chǎn)生大約33噸核廢料。由此預(yù)計我國每年都將卸下近千噸的乏燃料。乏燃料的貯存與處理，是直接關(guān)系著國家核工業(yè)能否持續(xù)、健康發(fā)展的關(guān)鍵大事。
[0004]日本福島核電站事故發(fā)生以后，乏燃料濕法貯存暴露出慢化水體易泄漏的巨大安全隱患，因此各國均把干法貯存視為未來乏燃料貯存的更可靠方案。與濕法貯存相比，缺少了慢化水環(huán)境的干法貯存對中子吸收能力不足，僅靠貯存器中格架、柵板以及桶壁材料的屏蔽吸收作用，貯存器罐體將承受更多的放射性粒子轟擊，無法有效保障貯存容器在幾十年、上百年的存放期不發(fā)生放射性泄漏，因此存在著一定安全隱患。目前采取的辦法是減少乏燃料的貯存容量，這也導(dǎo)致了容器內(nèi)乏燃料的貯存密度較低。
[0005]貯存容器存儲安全性的提升，依賴于新一代高性能中子屏蔽材料選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的創(chuàng)新，并尋求在制備技術(shù)上的突破。為了克服目前干法貯存用格架、柵板材料存在對高能中子吸收能力不足，加之功能結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)一體化的技術(shù)難題，從物質(zhì)與中子的相互作用機(jī)理出發(fā)，基于全能譜協(xié)同/梯度吸收的設(shè)計理念，研發(fā)一種新型聚酰亞胺或環(huán)氧基碳纖維中子屏蔽復(fù)合材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了避免中子吸收體作用發(fā)揮不足與中子能譜吸收范圍較窄的問題，本發(fā)明提供一種梯度式高分子基中子吸收柵板材料。采用高分子基中子屏蔽材料，并設(shè)計成梯度結(jié)構(gòu)，全面提高中子屏蔽材料的屏蔽性能。
[0007]本發(fā)明還提供一種梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:
梯度式高分子基中子吸收柵板材料，該材料包括快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層，三種吸收層梯度層壓而成；所述快中子慢化吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氟化鋰、氫化鋰或碳化硼的吸收體材料；所述中能中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釤的中子吸收體材料；所述熱中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釓或氧化鎘的中子吸收體材料。
[0009]所述快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層所用的高分子基體一致，所用高分子基體采用丙酮可溶性聚酰亞胺樹脂或雙酚A型環(huán)氧樹脂；所用的增強(qiáng)纖維為連續(xù)玻璃纖維或碳纖維。
[0010]梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，包括以下步驟:
a、通過在熱固性高分子樹脂中加入有機(jī)溶劑丙酮，根據(jù)熱固性高分子樹脂粘度大小，對熱固性高分子樹脂進(jìn)行稀釋；
b、然后在稀釋后的熱固性膠液中分別加入三種中子吸收體，制備混合膠液；
C、對所用的增強(qiáng)纖維進(jìn)行偶聯(lián)處理或輻照處理，提高纖維表面與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度；
d、將處理后的增強(qiáng)纖維浸潰含有不同的吸收體膠液后，先鋪放快中子慢化吸收層，到達(dá)一定厚度時，再鋪放中能中子吸收層，最后鋪放熱中子吸收層；
e、將得到預(yù)制體在相應(yīng)的樹脂固化工藝下進(jìn)行固化，最終冷卻脫模后，得到梯度中子輻射屏蔽復(fù)合材料。
[0011 ] 上述熱固性高分子樹脂為丙酮可溶性聚酰亞胺樹脂或雙酚-A環(huán)氧樹脂。
[0012]本發(fā)明中所述梯度式高分子基中子吸收柵板材料，其工作原理為:
能量較高的中子在通過快中子慢化吸收層時不僅能夠?qū)⒖熘凶舆M(jìn)行吸收，還能通過材料中含有的氫元素將中子慢化，提高后續(xù)過程的吸收效率，當(dāng)中子通過中能中子吸收層時，能夠?qū)⒅心苤凶舆M(jìn)行針對性吸收，當(dāng)中子通過慢化中子吸收層時，能夠?qū)嶂凶舆M(jìn)行針對性吸收，屏蔽材料通過提高每步中子吸收過程的材料屏蔽效率，實現(xiàn)高效屏蔽的目的。
[0013]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
一、本發(fā)明中所述梯度式高分子基中子吸收柵板材料，既能起到中子吸收的目的，又有一定的光子吸收作用，使衰變產(chǎn)生中子與Y光子能夠被有效地吸收，保證人員與貯存燃料的安全；
二、本發(fā)明所述梯度式高分子基中子吸收柵板材料，采用吸收體材料呈梯度分布，最大限度的保證了中子的吸收效率；
三、本發(fā)明所述梯度式高分子基中子吸收柵板材料，采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，大幅度提高中子屏蔽材料的力學(xué)性能，保證中子屏蔽材料在應(yīng)用過程中的安全性；
綜上所述最后給出的梯度式高分子基中子吸收柵板材料具有吸收效率高、壽命長、力學(xué)性能高、工藝簡單等特點(diǎn)，而且對Y光子有一定的吸收效果，可用于乏燃料貯存與其他類型中子源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是梯度式高分子基中子吸收柵板材料的示意圖。
[0015]1、快中子慢化吸收層，2、中能中子吸收層，3、熱中子吸收層。

【具體實施方式】
[0016]下述實施例僅用于說明本發(fā)明，但并不能限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]圖1中所示，本發(fā)明的梯度式高分子基中子吸收柵板材料，該材料包括快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層，三種吸收層梯度層壓而成；快中子慢化吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氟化鋰、氫化鋰或碳化硼的吸收體材料，這些材料兼具中子慢化功能；中能中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釤的中子吸收體材料，這些材料具有較大中能中子反應(yīng)截面積；熱中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釓或氧化鎘的中子吸收體材料，這些材料具有較大熱中子反應(yīng)截面。
[0018]快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層所用的高分子基體一致，所用高分子基體采用丙酮可溶性聚酰亞胺樹脂或雙酚A型環(huán)氧樹脂；所用的增強(qiáng)纖維為連續(xù)玻璃纖維或碳纖維。
[0019]上述基于梯度式高分子基中子吸收柵板材料可通過以下方法制備得到:
實施例1
梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，包括以下步驟:
a、先將聚酰亞胺樹脂在80°C的條件下加熱，使樹脂具有良好的流動性，通過在聚酰亞胺樹脂中加入有機(jī)溶劑丙酮，并在60°C的條件下充分?jǐn)嚢瑁鶕?jù)熱固性高分子樹脂粘度大小，對熱固性高分子樹脂進(jìn)行稀釋(若所用的熱固性高分子樹脂粘度較小，則無需通過溶劑稀釋)，得到稀釋后的聚酰亞胺膠液備用；
b、將膠液分成三份，然后在稀釋后的熱固性膠液中分別加入氟化鋰、氧化釤與氧化釓，制備出含不同中子吸收體的吸收填料的功能膠液；
C、對所用的碳纖維在120kGy的輻照劑量下進(jìn)行輻照，提高纖維表面與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度；
d、將處理后的增強(qiáng)纖維浸潰含有不同的吸收體膠液后，將材料按氟化鋰層、氧化釤層與氧化釓層順序排列；
e、將得到預(yù)制體進(jìn)行熱壓成型，最終冷卻脫模后，得到梯度中子輻射屏蔽復(fù)合材料。
[0020]實施例2
梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，包括以下步驟:
a、先將雙酚-A環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑混合，比例為1:1，使樹脂具有良好的流動性，然后倒入咪唑促進(jìn)劑，并在充分?jǐn)嚢?，得到混合均勻的環(huán)氧樹脂膠液；
b、將膠液分成三份,然后在環(huán)氧樹脂膠液中分別加入氟化鋰、氧化釤與氧化釓，制備出含不同中子吸收體的吸收填料的功能膠液；
C、用硅烷偶聯(lián)劑將玻璃纖維表面進(jìn)行偶聯(lián)處理，提高纖維表面與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度；
d、將偶聯(lián)處理后的玻璃纖維剪裁成所需大小并浸潰混料后的膠液，將材料按氟化鋰層、氧化釤層與氧化釓層順序排列，制成屏蔽材料預(yù)制體；
e、將得到預(yù)制體進(jìn)行熱壓成型，最終冷卻脫模后，得到梯度中子輻射屏蔽復(fù)合材料。
[0021]實施例3
梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，包括以下步驟:
a、先將聚酰亞胺樹脂在80-90°C的條件下加熱，使樹脂具有良好的流動性，通過在聚酰亞胺樹脂中加入有機(jī)溶劑丙酮，并在50-60°C的條件下充分?jǐn)嚢?，根?jù)熱固性高分子樹脂粘度大小，對熱固性高分子樹脂進(jìn)行稀釋，得到稀釋后的聚酰亞胺膠液備用；
b、將膠液分成三份，然后在稀釋后的熱固性膠液中分別加入氫化鋰、氧化鎘與氧化釓，制備出含不同中子吸收體的吸收填料的功能膠液；
C、對所用的連續(xù)玻璃纖維在120kGy的輻照劑量下進(jìn)行輻照，提高纖維表面與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度； d、將處理后的增強(qiáng)纖維浸潰含有不同的吸收體膠液后，將材料按氫化鋰層、氧化鎘層與氧化釓層順序排列；
e、將得到預(yù)制體在相應(yīng)的樹脂固化工藝下進(jìn)行固化，最終冷卻脫模后，得到梯度中子輻射屏蔽復(fù)合材料。
[0022]上述實施例1-3中，快中子慢化吸收層所摻雜的中子吸收體材料除例舉的氟化鋰、氫化鋰，還可以為碳化硼。
[0023]本發(fā)明中所述梯度式高分子基中子吸收柵板材料，既能起到中子吸收的目的，又有一定的光子吸收作用，使衰變產(chǎn)生中子與Y光子能夠被有效地吸收，保證人員與貯存燃料的安全；采用吸收體材料呈梯度分布，最大限度的保證了中子的吸收效率；采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，大幅度提高中子屏蔽材料的力學(xué)性能，保證中子屏蔽材料在應(yīng)用過程中的安全性。
【權(quán)利要求】
1.梯度式高分子基中子吸收柵板材料，其特征在于:該材料包括快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層，三種吸收層梯度層壓而成；所述快中子慢化吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氟化鋰、氫化鋰或碳化硼的吸收體材料；所述中能中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釤的中子吸收體材料；所述熱中子吸收層所摻雜的中子吸收體材料是氧化釓或氧化鎘的中子吸收體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度式高分子基中子吸收柵板材料，其特征在于:所述快中子慢化吸收層、中能中子吸收層和熱中子吸收層所用的高分子基體一致，所用高分子基體采用丙酮可溶性聚酰亞胺樹脂或雙酚A型環(huán)氧樹脂；所用的增強(qiáng)纖維為連續(xù)玻璃纖維或碳纖維。
3.如權(quán)利要求1所述的梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a、通過在熱固性高分子樹脂中加入有機(jī)溶劑丙酮，根據(jù)熱固性高分子樹脂粘度大小，對熱固性高分子樹脂進(jìn)行稀釋； b、然后在稀釋后的熱固性膠液中分別加入三種中子吸收體，制備混合膠液； C、對所用的增強(qiáng)纖維進(jìn)行偶聯(lián)處理或輻照處理，提高纖維表面與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度； d、將處理后的增強(qiáng)纖維浸潰含有不同的吸收體膠液后，先鋪放快中子慢化吸收層，到達(dá)一定厚度時，再鋪放中能中子吸收層，最后鋪放熱中子吸收層； e、將得到預(yù)制體在相應(yīng)的樹脂固化工藝下進(jìn)行固化，最終冷卻脫模后，得到梯度中子輻射屏蔽復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的梯度式高分子基中子吸收柵板材料的制備方法，其特征在于:所述熱固性高分子樹脂為丙酮可溶性聚酰亞胺樹脂或雙酚-A環(huán)氧樹脂。
【文檔編號】B32B27/06GK104228268SQ201410406078
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】仇云龍, 汪濤, 湯曉斌 申請人:中興能源裝備有限公司