[发明专利]一种石蜡/碳化硼中子防护复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种石蜡/碳化硼中子防护复合材料及制备方法，属于核防护材料技术领域，解决现有技术中采用熔铸法制备时存在的组织不致密、碳化硼沉降团聚等问题。本发明的石蜡/碳化硼中子防护复合材料的制备方法，所述中子防护复合材料中石蜡含量为1‑60wt％，其余为碳化硼，采用冷等静压法制备。本发明创造性地采用石蜡、碳化硼为原料，采用冷等静压法制备得到中子防护复合材料。本发明的石蜡/碳化硼中子防护复合材料碳化硼分布均匀、组织致密、性能优异，可兼具快中子、慢中子和热中子慢化吸收双功能，达到乏燃料后处理特定场合的中子防护要求。

技术领域

本发明属于核防护材料技术领域，涉及用于核反应堆乏燃料组件贮存及放射性物质贮运等核辐射场所的防护材料制备方法，具体涉及一种石蜡/碳化硼中子防护复合材料及制备方法。

背景技术

核能是一种清洁低碳、供给可靠性高、可大规模利用的非石化能源，是我国现代能源体系中的重要组成部分。随着我国核电的迅速发展，大量乏燃料的安全贮存、运输和后处理成为一个不可回避的问题。乏燃料中包含有大量的放射性元素，具有很强的放射性，特别是在乏燃料后处理的尾端阶段，乏燃料中主要包含Pu、U、Am、Np、Cm等裂变元素，这些裂变元素会发生嬗变反应产生较多的快中子，平均能量约为2MeV，必须进行有效的辐射防护。针对这类快中子的屏蔽防护主要包括两个过程：快中子与重核元素发生非弹性散射或与轻核元素发生弹性散射，慢化成能量较低的热中子；热中子被吸收截面较大的元素俘获吸收。

中子防护复合材料是实现该类辐射防护要求的重要手段与载体。目前针对中子防护，常用的防护材料主要有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯等聚烯烃基防护材料、含硼混凝土、硼钢、铝基碳化硼中子吸收材料等。聚烯烃基防护材料的软化点低，热膨胀系数较大，导致屏蔽复合材料结构稳定性差，在辐照作用下会产生氢气、甲烷等易燃易爆物质，存在安全隐患，而且制备工艺复杂，工艺周期长，不能满足某些特殊应用场合对屏蔽材料的应用灵活性和施工多样性的要求。含硼混凝土、多用于大型防护装置的辐射屏蔽，由于硼元素的加入会对混凝土的凝结硬化及混凝土的力学性能产生影响，因此混凝土中硼元素的含量不能很高，这类材料对成型过程及施工条件有很高要求，且材料的屏蔽性能与其它物理力学性能很难兼顾。硼钢等金属防护材料厚度大、重量大、体积大，且中子辐照使材料内部产生辐照损伤，恶化材料性能。铝基碳化硼中子吸收材料具有优异的中子防护功能，但其通常是针对热中子吸收的中子防护材料，对能量较高的快中子防护能力较弱。

石蜡是中子慢化效果优良的材料之一，而且兼具相变温度可控、化学性质稳定、腐蚀性低、安全无毒、环境友好、制备成型性好、成本低廉等优点，B₄C中¹⁰B的热中子吸收截面高达3840barns，是混凝土的50多倍，可在很宽的中子能量范围内发生¹⁰B(n,α)⁷Li嬗变反应，有效的吸收热中子，吸收中子后衰变时无放射性同位素产生，二次辐射能量低(0.5MeV)易屏蔽，同时还具有熔点高、密度低、耐酸碱、化学稳定、抗辐照、制造成本低等优点。通过将石蜡和碳化硼进行有效复合而制备成中子防护材料，可满足乏燃料后处理过程中对具有良好慢化吸收/屏蔽效果、质地轻、体积小、耐辐照材料有迫切需求。

发明内容

本发明的前期研究发现，石蜡/碳化硼复合材料可通过熔铸法制备。但由于熔化后的石蜡凝固周期较长，石蜡的密度(0.8-0.9g/cm³)和碳化硼的密度(～2.5g/cm³)差异大且碳化硼不溶于石蜡，碳化硼在熔化的石蜡中会不断的沉淀，因此较难实现碳化硼在石蜡中的均匀分布，碳化硼的均匀性直接影响中子慢化吸收双功能材料的物理性能和防护性能；另外，熔化的石蜡在凝固时会有较大体积的收缩，浇注制备过程中极易由于体积变化量过大而导致石蜡表面及内部出现孔洞缺陷，从而使得性能降低。

本发明的目的之一在于，提供一种石蜡/碳化硼中子防护复合材料的制备方法，解决现有技术中采用熔铸法制备时存在的组织不致密、碳化硼沉降团聚等问题。

本发明的目的之二在于，提供采用该方法制成的石蜡/碳化硼中子防护复合材料。