專利名稱:中子吸收球的制作方法
中子吸收球
技術(shù)領(lǐng) 域
本發(fā)明涉及核反應堆領(lǐng)域，尤其涉及一種中子吸收球的結(jié)構(gòu)設計與材料設計。
技術(shù)背景
作為清潔的、安全、環(huán)保的能源，核能發(fā)電對于緩解世界及各國能源安全和全球氣候變化問題都具有重要意義。雖然經(jīng)過了美國三哩島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故挫折，人們?nèi)匀辉诜e極開發(fā)更安全、經(jīng)濟性更好的核能發(fā)電技術(shù)。目前，第三代核電技術(shù)已經(jīng)基本成熟。
正在研發(fā)的第四代核能系統(tǒng)中，高溫氣冷堆可以實現(xiàn)很高的出口溫度，具有高發(fā)電效率和高品位熱供應能力，引起了人們的廣泛關(guān)注。
高溫氣冷堆采用陶瓷型包覆顆粒燃料元件，氦氣作為冷卻劑，石墨作慢化劑，堆芯出口溫度可以達到700°C，直至950 1000°C。高溫氣冷堆是一種安全性能好的堆型，這是由于1)優(yōu)異的燃料元件性能；2)石墨堆芯的熱容量大；3)全范圍的負反應性溫度系數(shù)； 4)氦冷卻劑為惰性氣體，化學穩(wěn)定性好，不會發(fā)生相變。
吸收球停堆系統(tǒng)是高溫氣冷堆的第二停堆系統(tǒng)，在高溫氣冷堆運行過程中與控制棒系統(tǒng)配合，起到停堆與調(diào)節(jié)運行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者緊急停堆時，吸收球落入反應堆的吸收球孔道，利用碳化硼中kiB的吸收中子特性，吸收中子進而阻止反應堆的鏈式反應，實現(xiàn)反應堆的停堆；當反應堆需要啟動時，吸收球通過氣體輸送到反應堆頂部的貯球罐內(nèi)，使之處于備用狀態(tài)。
根據(jù)吸收球的使用工況，要求吸收球有很好的耐磨損性能和抗熱沖擊性能，同時與石墨孔道間有良好的匹配性。純碳化硼球的、含量高，中子吸收性能好，但易對石墨孔道造成磨損。因此需要一種具備中子吸收作用、改善吸收球與孔道間的磨損并具有良好的抗熱沖擊性的中子吸收球。中子吸收球結(jié)構(gòu)上內(nèi)核與殼層結(jié)構(gòu)的設計，可以達到中子吸收球基本性能的同時，有利于提高中子吸收球的耐磨損性能、抗熱沖擊性能與力學性能，降低吸濕率，使中子吸收球在使用時的磨損減少，延長使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的是提供一種達到中子吸收球基本性能要求的同時，提高中子吸收球耐磨損性能、抗熱沖擊性與力學性能，降低中子吸收球與孔道間的磨損，降低吸收球在使用時的吸濕率，從而延長中子吸收球的使用壽命的中子吸收球結(jié)構(gòu)。
( 二 )技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明提出了一種中子吸收球結(jié)構(gòu)，該中子吸收球由內(nèi)核以及包覆在內(nèi)核表面的殼層組成。
其中，內(nèi)核包括基體材料與中子吸收劑，中子吸收劑均勻分布在基體材料中。
其中，基體材料為碳素材料。[0013]其中，中子吸收劑為碳化硼。
其中，殼層的材料為熱解炭或陶瓷。
其中，陶瓷為氮化硅、碳化硅、碳化鈦、氮化鈦或二氧化鋯中的一種。
其中，殼層采用化學氣相沉積法(CVD)制備。
其中，殼層的材料為熱解炭，采用化學氣相沉積法制備熱解炭所用的氣源為甲烷、 乙炔、乙烯和丙烯中的一種氣體或者任意幾種氣體的混合氣體。
(三)有益效果
本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點
1、本發(fā)明的中子吸收球材料選用了碳素材料為基體材料，同時選用碳化硼作為中子吸收劑，中子吸收球各組分之間相容性良好，且物理化學性能穩(wěn)定。碳素材料作為基體材料可以保證中子吸收球有很好的抗熱沖擊性能。
2、本發(fā)明中子吸收球的內(nèi)核表面包覆一層殼層，這種結(jié)構(gòu)設計提高中子吸收球耐磨損性能與力學性能，從而降低中子吸收球在使用過程中的磨損，延長使用壽命。同時致密的包覆殼層還可以降低中子吸收球的吸濕率，減少水氣對中子吸收球使用的影響。


圖1為本發(fā)明中子吸收球結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1 :內(nèi)核；2 殼層。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的范圍。
實施例1
將碳化硼、石油焦、石墨粉體、樹脂與酒精混合配制成漿料，將混合漿料注入噴霧造粒機，制成具有很好流動性的復合粉體。將造粒后的粉體裝入模具，進行等靜壓成型，得到直徑約6. 5mm含碳化硼的石墨球坯體。將含碳化硼的石墨球坯體在氬氣保護下炭化，炭化溫度800°C。對得到的石墨球進行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進行高溫處理，處理溫度2000°C。對高溫處理后的含碳化硼石墨球用乙炔氣體通過化學氣相沉積法(CVD)工藝進行表面包覆處理，CVD處理溫度為1050°C，形成表面包覆熱解炭層，即得到直徑約為6mm的中子吸收球。這種包覆熱解炭層的中子吸收球的耐磨率為沒有殼層結(jié)構(gòu)的吸收球的1/5。
本實施例中，采用化學氣相沉積法(CVD)工藝對含碳化硼石墨球的表面進行包覆處理所使用的氣源還可以是甲烷、乙烯和丙烯；或者以上幾種氣體的混合氣體。
實施例2
將碳化硼、石墨粉體、樹脂與酒精混合配制成漿料，將混合漿料注入噴霧造粒機， 制成具有很好流動性的復合粉體。將造粒后的粉體裝入模具，進行等靜壓成型，得到直徑約6. 5mm含碳化硼的石墨球坯體。將含碳化硼的石墨球坯體在氬氣保護下炭化，炭化溫度 800°C。對得到的石墨球進行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進行高溫處理， 處理溫度2000°C。以三甲硅烷基胺和氨為原料，對高溫處理后的含碳化硼石墨球進行化學氣相沉積(CVD)制備氮化硅陶瓷層，處理溫度為600°C。處理后即得到直徑約為6mm的中子吸收球。這種包覆氮化硅層的中子吸收球的耐磨率為沒有殼層結(jié)構(gòu)的吸收球的1/10。
實施例3
將碳化硼、石油焦、石墨粉體、樹脂與酒精混合配制成漿料，將混合漿料注入噴霧造粒機，制成具有很好流動性的復合粉體。將造粒后的粉體裝入模具，進行等靜壓成型，得到直徑約10. 5mm含碳化硼的石墨球坯體。將含碳化硼的石墨球坯體在氬氣保護下炭化，炭化溫度800°C。對得到的石墨球進行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進行高溫處理，處理溫度2000°C。以海綿鈦和四氯化碳為原料，對高溫處理后的含碳化硼石墨球進行化學氣相沉積(CVD)制備碳化鈦陶瓷層，處理溫度為900°C。處理后即得到直徑約為IOmm的中子吸收球。這種包覆碳化鈦層的中子吸收球的耐磨率為沒有殼層結(jié)構(gòu)的吸收球的1/12。
上述實施例2和實施例3中陶瓷殼層的材料分別是氮化硅和碳化鈦。實際應用時陶瓷殼層的材料還可以是碳化硅、氮化鈦或二氧化鋯。
以上所述僅是本發(fā)明的實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種中子吸收球，其特征在于，由內(nèi)核以及包覆在所述內(nèi)核表面的殼層組成。
2.如權(quán)利要求
1所述的中子吸收球，其特征在于，所述內(nèi)核包括基體材料和中子吸收齊U，中子吸收劑均勻分布在基體材料中。
3.如權(quán)利要求
2所述的中子吸收球，其特征在于，所述基體材料為碳素材料。
4.如權(quán)利要求
2所述的中子吸收球，其特征在于，所述中子吸收劑為碳化硼。
5.如權(quán)利要求
1所述的中子吸收球，其特征在于，殼層的材料為熱解炭或陶瓷。
6.如權(quán)利要求
5所述的中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷為氮化硅、碳化硅、碳化鈦、 氮化鈦或二氧化鋯中的一種。
7.制備如權(quán)利要求
1所述的中子吸收球的方法，其特征在于，所述殼層采用化學氣相沉積法制備。
8.如權(quán)利要求
7所述的制備中子吸收球的方法，其特征在于，所述殼層的材料為熱解炭，采用化學氣相沉積法制備熱解炭所用的氣源為甲烷、乙炔、乙烯和丙烯中的一種氣體或者任意幾種氣體的混合氣體。
專利摘要
本發(fā)明涉及核反應堆領(lǐng)域，公開了一種中子吸收球的結(jié)構(gòu)與材料設計中子吸收球由內(nèi)核以及包覆在內(nèi)核表面的殼層組成。本發(fā)明中子吸收球性能得到改善，特別是殼層結(jié)構(gòu)對中子吸收球性能改善明顯，提高了耐磨損性能、抗熱沖擊性能、力學性能，降低了吸收球在反應堆使用時的吸濕率，延長了使用壽命。
文檔編號G21C7/24GKCN102231287SQ201110163971
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月17日
發(fā)明者林旭平, 艾德生, 譚威, 鄧長生, 馬景陶, 黃志勇 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan