CN107342113A - 一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括无机胶凝材料、屏蔽功能组分，屏蔽功能组分为氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分中的任意一种或大于等于两种以上组分的组合，本技术方案以无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分为主要成分，长期使用温度可达230℃，对快中子、中能中子、热中子等均具有较高的屏蔽效率，提高了中子屏蔽材料的使用温度，是中子屏蔽材料种类的一项有力补充，提高了反应堆屏蔽系统设计的灵活性，解决了传统有机屏蔽材料在服役中所面临的辐照老化和热老化问题以及在高温环境下无中子屏蔽材料可用的问题。
Description
技术领域
本发明属于辐射防护与核安全技术领域，应用于同位素中子源，核反应堆等中子放射源或中子伽玛复合放射源的防护领域，具体是指一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料。
背景技术
同位素中子源与反应堆使用过程中均会释放出中子射线，中子射线的防护一般选取含氢量高，中子吸收截面大的材料屏蔽，常用的中子屏蔽材料为聚乙烯、硼聚乙烯、铅硼聚乙烯、混凝土材料、硼铝、硼钢等。聚乙烯、硼聚乙烯、铅硼聚乙烯含氢量高，中子屏蔽效果好，但其软化温度较低，最高使用温度不超过80℃，混凝土材料对中子与伽玛射线均具有一定的屏蔽效果，但其屏蔽效率较低。硼铸钢、硼不锈钢、硼铝等材料使用温度较高，对热中子吸收效果好，但材料中无中子慢化组分，对中能中子与快中子屏蔽能力差，而对于大多数屏蔽工程来说，中能中子与快中子是屏蔽的难点，也是需要重点防护的对象。最新研制的环氧树脂基屏蔽材料最高使用温度不超过160℃。《Development of 300℃heat resistantboron-loaded resin for neutron shielding》所描述的中子屏蔽材料耐热温度可达300℃，但仍处于实验室研制阶段，且当材料加热到200℃有NH3、CO2、H2O等气体放出，存在热老化问题，其长期使用温度仍待近一步测试。
有机屏蔽材料在高温与辐照环境下使用时，不可避免的面临辐照老化与热老化的问题。随着服役时间的增加，高分子材料会不断分解，分子链断裂，力学强度下降，最终会失去强度而不能使用。目前船用反应堆的屏蔽设计对中子屏蔽材料的使用温度提出了更高的要求，如反应堆金属保温层后的第一层中子屏蔽材料使用温度高达200℃以上，目前无材料可用。
基于此，研究并开发设计一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种耐高温耐辐照中子屏蔽材料，以无机胶凝材料、屏蔽功能组分为主要组分，长期使用温度可达到230℃，氢含量>0.05g/cm3，解决了传统有机屏蔽材料在服役中所面临的辐照老化与热老化问题以及在高温环境下无中子屏蔽材料可用的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括无机胶凝材料、屏蔽功能组分，屏蔽功能组分为氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分中的任意一种或大于等于两种以上组分的组合。
本技术方案中以无机胶凝材料为主要成分，具有粘结作用、中子慢化作用。无机胶凝材料可具体为铝酸盐水泥，铝酸盐水泥水化后的水化产物结晶水含量高，脱水温度高，力学强度高，中子慢化效果好，能与其他不与水泥反应的物质粘结在一起，并具有较高的强度。本技术方案所述的无机胶凝材料还可为硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，胶凝材料水玻璃，胶凝材料石灰，胶凝材料石膏等。
屏蔽功能组分中的氢氧化物，其单位体积氢含量高，成本低，脱水温度高，具有较好的中子慢化效果，氢氧化物优选化学性能稳定的氢氧化铝、氢氧化镁。
中子吸收组分，为中子吸收截面大的化合物或单质，如含钆或硼元素的中子吸收截面积大的化合物，能够有效吸收经慢化后的中子。当中子射入屏蔽材料时，先由无机胶凝材料的水化产物与氢氧化物慢化，再由中子吸收组分吸收，具有较高的中子屏蔽效率。该中子屏蔽材料可根据中子源项的能谱调节屏蔽材料中氢氧化物与中子吸收组分的比例，以达到最佳的屏蔽效率，节省屏蔽体的重量与体积。
伽玛射线屏蔽组分为含铁、铅、钨、钽、贫铀中任一元素的单质粉或化合物，主要用于伽玛射线复合屏蔽。
本技术方案中所述屏蔽材料的具体组合为：1)包括无机胶凝材料、氢氧化物；2)包括无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分；3)包括无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分；4)包括无机胶凝材料、中子吸收组分；5)包括无机胶凝材料、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分。
现有技术中采用有机屏蔽材料作为屏蔽材料的成分，而有机屏蔽材料在高温和辐照环境下使用时，会不可避免的面临辐照老化与热老化问题，而随着服役时间的增加，高分子材料不断分解，分子链断裂，力学强度下降，最终失去强度而不能使用。则本技术方案中采用无机胶凝材料代替有机屏蔽材料，采用的无机胶凝材料如上所述其具有粘结作用，能与加入的氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分进行有效的粘结，与不同无机胶凝材料的物质反应，并具有一定的中子慢化作用，尤其在无机胶凝材料水化后，其发生脱水反应温度高，力学强度高，则解决了有机屏蔽材料存在的服役中、材料分解，力学强度降低，不能使用的老化问题。
而本发明所述技术方案中的屏蔽功能组分为几种组分的组合，以上已经对各种组分的功能进行详细说明，其中以无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收材料为主要组分，该屏蔽材料长期使用温度可达到230℃，氢含量大于0.05g/cm3包，而现有船用反应堆的屏蔽设计中对中子屏蔽材料的使用温度无法达到该要求，即使是应用于反应堆金属保温层后的第一层中子屏蔽材料也很少有使用温度达到200℃的。
进一步地，所述无机胶凝材料为铝酸盐水泥。
进一步地，所述中子吸收组分为中子吸收截面大的化合物或单质。
进一步地，所述中子吸收组分为中子吸收截面大的化合物或单质。
进一步地，所述中子吸收截面大的化合物或单质为含钆或硼元素的化合物或单质。
进一步地，所述中子吸收组分为碳化硼或氧化钆或硼玻璃。
中子吸收组分，能够有效吸收经慢化后的中子。如屏蔽材料包括无机胶凝材料、中子吸收组分、氢氧化物，经中子吸收组分吸收作用后，使其具有较高的中子屏蔽效率，而最佳的屏蔽效率，可根据中子源项的能谱调节屏蔽材料中氢氧化物与中子吸收组分的比例获得。包括中子吸收组分、无机胶凝材料、氢氧化物的屏蔽材料为应用于高温环境的中子屏蔽材料，从而解决了现有反应堆中高温环境中无中子屏蔽材料可用的问题。
进一步地，所述伽玛射线屏蔽组分为含铁、铅、钨、钽、贫铀中任一元素的单质粉或化合物。伽玛射线屏蔽组分如铁粉、钨粉，且伽玛射线屏蔽组分为高原子系数的伽玛射线屏蔽组分，该组分加入到屏蔽材料中，使屏蔽材料中具有中子、伽玛射线复合屏蔽效果。
进一步地，所述耐高温耐辐射无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥10份，氢氧化铝粉80份，碳化硼10份。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括无机胶凝材料5-50份、屏蔽功能组分50—95份，还包括减水剂。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂添加量为无机屏蔽材料总质量的0—1％。减水剂的主要作用是在浇注过程中减少水的添加量，提高材料在浇注施工时的流动性，同时减小孔隙率提高屏蔽材料的密度和强度。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥20份，氢氧化铝粉70份，聚羧酸减水剂1份，碳化硼9份。
进一步地，所述氢氧化物为氢氧化铝、氢氧化镁中的任意一种。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥10份，氢氧化铝粉80份，碳化硼10份。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥5份，氢氧化铝粉20份，减水剂0.3份，碳化硼1份，铁粉73.7份。其中减水剂包括但不限于聚羧酸减水剂。聚羧酸减水剂为一种高性能减水剂，是水泥混凝土运用中的一种水泥分散剂。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥30份，氢氧化铝粉60份，减水剂1份，氧化钆9份。
进一步地，所述无机屏蔽材料包括铝酸盐水泥10份，氢氧化镁粉15份，减水剂0.3份，碳化硼1份，钽粉73.7份。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本发明所述的耐高温耐辐照无机屏蔽材料，以无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分为主要成分，长期使用温度可达230℃，相对于目前使用的聚乙烯、硼聚乙烯、铅硼聚乙烯的最高使用温度8080℃，环氧树脂复合屏蔽材料最高使用温度160℃，提高其软化温度。
(2)本技术方案所述的耐高温耐辐照中子吸收组分氢含量大于0.05g/cm3，对快中子、中能中子、热中子等均具有较高的屏蔽效率，提高了中子屏蔽材料的使用温度，是中子屏蔽材料种类的一项有力补充，提高了反应堆屏蔽系统设计的灵活性，解决了传统有机屏蔽材料在服役中所面临的辐照老化和热老化问题以及在高温环境下无中子屏蔽材料可用的问题。
(3)本技术方案所述的无机屏蔽材料的屏蔽功能组分，可根据中子源项，调整氢氧化物与中子吸收组分的比例，使其达到最佳的屏蔽效果，也可向屏蔽材料中加入伽玛射线屏蔽组分，使屏蔽材料具有中子与伽玛射线复合屏蔽效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化铝粉90份。
实施例2：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化铝粉80份，硼玻璃10份。
实施例3：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥20份，氢氧化铝粉70份，减水剂1份，碳化硼9份。
实施例4：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥30份，氢氧化铝粉60份，减水剂1份，氧化钆9份。
实施例5：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥5份，氢氧化铝粉20份，减水剂0.3份，碳化硼1份，铁粉73.7份。
实施例6：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化镁粉15份，减水剂0.3份，碳化硼1份，钨粉73.7份。
实施例7：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化镁粉15份，减水剂0.3份，碳化硼1份，钽粉73.7份。
实施例8：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化镁粉15份，减水剂0.3份，碳化硼1份，铅粉73.7份。
实施例9：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥10份，氢氧化镁粉15份，减水剂0.3份，碳化硼1份，贫铀粉73.7份。
其中实施例1—9中的铝酸盐水泥可等同替换为硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，胶凝材料水玻璃，胶凝材料石灰，胶凝材料石膏。
其中实施例3—9中所述减水剂均为聚羧酸减水剂，是一种高性能减水剂，为应用于水泥混凝土中的水泥分散剂，且其为本领域技术人员公知的物质。
对比实施例1：
常用中子屏蔽材料：聚乙烯，硼聚乙烯，铅硼聚乙烯，混凝土材料，硼铝，硼钢；
铅硼聚乙烯：包括铅80％、碳化硼1.5％、聚乙烯18.5％，以质量百分数计；
对比实施例2：
环氧树脂基屏蔽材料：包括碳化硼1.5％、氢氧化铝：40％、环氧树脂58.5％，以质量百分数计；
对比实施例3：
有机屏蔽材料：硼铝，包括碳化硼：15％，铝85％，以质量百分数计。
对比实施例4：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥2份，氢氧化铝粉88份、减水剂1份、硼玻璃9份。
与实施例3的区别在于：铝酸盐水泥小于5份，材料强度低，不能成型。
对比实施例5：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥98份，氢氧化铝粉0.5份，减水剂1份，硼玻璃0.5份。
与实施例3的区别在于：铝酸盐水泥大于95份。
对比实施例6：
一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括铝酸盐水泥73份，氢氧化铝粉20份，减水剂2份，硼玻璃5份。
与实施例3的区别在于：屏蔽功能组分小于50份。
实施例1-9与对比实施例1-7所述的屏蔽材料具有的性能指标如下表1所示：
由表1中数据可知，
实施例1—9均具有最高使用温度，具有屏蔽中子射线或/和伽玛射线的能力，良好的中子慢化效果。
实施例1—9相对于对比实施例1—2所述的有机屏蔽材料，具有最高使用温度达到优势；
实施例1—9相对于对比实施例3所述的有机屏蔽材料，在达到最高使用温度过程中不存在热老化问题。
实施例3相对于对比实施例4，对比实施例4中降低铝酸盐水泥份数，则最高使用温度降低，屏蔽效率降低，屏蔽材料力学强度降低。
实施例3相对于对于实施例5，对比实施例5中增加铝酸盐水泥份数，则最高使用温度与实施例3相同，屏蔽效率降低。
实施例3相对于对比实施例6，对比实施例5降低屏蔽功能组分，其余组分不变，最高使用温度不变，屏蔽效率降低。
即实施例1—9中铝酸盐水泥组分5-50份、屏蔽功能组分50—95份为耐高温耐辐射无机屏蔽材料的最优比例，其中组分如铝酸盐水泥组分、屏蔽功能组分不在此范围内，均不能同时具有最高使用温度、屏蔽效率最高的优势。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：包括无机胶凝材料、屏蔽功能组分，屏蔽功能组分为氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分中的任意一种或大于等于两种以上组分的组合。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述无机胶凝材料为铝酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述中子吸收组分为中子吸收截面大的化合物或单质。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述中子吸收截面大的化合物或单质为含钆或硼元素的化合物或单质。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述中子吸收组分为碳化硼或氧化钆或硼玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述伽玛射线屏蔽组分为含铁、铅、钨、钽、贫铀中任一元素的单质粉或化合物。
7.根据权利要求6所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：包括铝酸盐水泥10份，氢氧化铝粉80份，碳化硼10份。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料包括无机胶凝材料5-50份、屏蔽功能组分50—95份，还包括减水剂。
9.根据权利要求8所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂添加量为无机屏蔽材料总质量的0—1％。
10.根据权利要求9所述的一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，其特征在于：包括铝酸盐水泥20份，氢氧化铝粉70份，聚羧酸减水剂1份，碳化硼9份。
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