一種乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料及其制備方法， 其屬于乏燃料儲存用中子屏蔽復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 我國在2014年《能源發(fā)展規(guī)劃》中提出利用新能源，突出了國家對環(huán)境治理的重 視，清潔能源特別是核能的利用受到越來越多的關(guān)注與推廣。雖然核裂變可以利用少量的 核燃料產(chǎn)生大量的電力，但其裂變所產(chǎn)生的乏燃料會產(chǎn)生中子、Y射線、二次Y射線及其它 帶電粒子和高能射線，其衰變周期一般為上萬年至十萬年，所以必須進(jìn)行合理地處置與儲 存。當(dāng)前乏燃料儲存的方式主要有三種:①短期貯存，也稱為"濕法"貯存，即將乏燃料存放 于核電站內(nèi)水池的格架上，存放時(shí)間為2~3年，主要目的是用來降低乏燃料的溫度，使其降 低到一定溫度后再向中期貯存進(jìn)行轉(zhuǎn)換，短期貯存帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，比如日本的福島事 件，核廢水對環(huán)境和群眾的生命安全產(chǎn)生極大的影響，故一般以臨時(shí)儲存較為適宜;②中期 貯存，也稱為干式貯存，其中以容器貯存的應(yīng)用較廣泛，干式貯存容器兼有貯存和運(yùn)輸乏燃 料的功能。為了增加乏燃料設(shè)施的貯存容量，同時(shí)確保在密集貯存中乏燃料陣列有足夠的 安全裕量，以防止可能出現(xiàn)的意外事件，常在乏燃料貯存水池格架和貯運(yùn)容器中設(shè)置固態(tài) 中子吸收材料;③永久貯存，將核廢料和玻璃或者混凝土固化后深埋于地下層，直到其衰變 結(jié)束，時(shí)間持續(xù)上萬年，目前各國正在進(jìn)行這種方案的可行性研究。
[0003] 中子吸收材料一般是由具有較大中子吸收截面的元素和基體材料制成，目前核工 業(yè)中常用的中子吸收元素有8、6(1工 (1和3?，其中8因其相對低廉的價(jià)格在核中子吸收材料領(lǐng) 域運(yùn)用最為廣泛，起屏蔽作用的是豐度為20 %的B-10核素，熱中子截面系數(shù)為3837barns。 當(dāng)前含硼的中子吸收材料有硼不銹鋼、B4C/A1中子吸收材料、硼鋁合金、含硼有機(jī)聚合物、 含鎘、釓中子吸收材料等。
[0004] 相對來說我國在乏燃料干式貯存方面的研究起步較晚，大部分均處于試驗(yàn)階段。 目前我國核電站的乏燃料濕式貯存池已接近飽和，現(xiàn)如今我國只有秦山第三核電廠建設(shè)了 干式貯存系統(tǒng)，上海交通大學(xué)趙慧研究了秦山第三核電廠廠址建造乏燃料干式中間貯存設(shè) 施的可行性分析，確定采用加拿大原子能有限公司(AECL)設(shè)計(jì)的MACST0R400(Modular Air Cooled Storage)設(shè)施作為秦山第三核電廠乏燃料干式中間存裝備，目前秦山三核乏燃 料干式貯存設(shè)施第二批(3、4號)模塊已順利通過建安工程竣工驗(yàn)收，為后續(xù)開展調(diào)試和裝 機(jī)試運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)，所以研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、中子屏蔽性能優(yōu)秀的乏燃料中 子屏蔽材料顯得至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明提供一種乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料及其制備方法， 其制備工藝簡單、成型性佳、中子屏蔽效果好、耐沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材 料，包括AA6061鋁合金板、碳化硼增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料以及碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù) 合材料，其中所述碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料由碳纖維與聚酰亞胺經(jīng)過排布機(jī)制備而 成，碳化硼增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料由碳化硼粉末與PMR型聚酰亞胺超聲混合制備而 成。
[0007] 進(jìn)一步地，所述碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的平均厚度為0.125mm。
[0008] 進(jìn)一步地，碳化硼增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料中PMR型聚酰亞胺為100重量份，碳 化硼粉體為10~50重量份。
[0009] 進(jìn)一步地，乏燃料儲存用中子屏蔽復(fù)合材料中還添加有阻燃劑，所述阻燃劑為氫 氧化鋁。
[0010] 進(jìn)一步地，乏燃料儲存用中子屏蔽復(fù)合材料中還添加有二硼化鋯。
[0011] 本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材 料的制備方法，包括如下步驟：
[0012] (1)首先在室溫條件下對AA6061鋁合金板進(jìn)行陽極氧化，處理工藝如下：①堿洗： 配置濃度分別為25~30g/L NaOH和Na2C03溶液，溫度：70~80°C，0.5~lmin，開水;②酸洗： 配置濃度為300~500g/L HN〇3溶液，2~5min，蒸餾水;③最后采用濃度為130~150g/L的 H3P〇4溶液進(jìn)行陽極氧化，溫度:25 °C，電壓：10V，時(shí)間：20min;
[0013] ⑵配置l〇wt %~50wt %濃度的B4C/PMR混合懸濁液，超聲攪拌均勻后置入烘箱加 熱以揮發(fā)出大部分溶劑，玻棒攪拌獲得分散均勻的懸濁液；
[0014] (3)將配置好的混合懸濁液均勻噴涂于陽極氧化后的AA6061鋁合金板上，并使用 烘箱烘干，然后在其表面鋪設(shè)預(yù)制好的碳纖維預(yù)浸料，鋪層結(jié)構(gòu)選擇為3/2、4/3和5/4結(jié)構(gòu)；
[0015] (4)將制備好的不同結(jié)構(gòu)的中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料置入硫化機(jī)中進(jìn)行熱模 壓成型，溫度區(qū)間選擇：80 °C，lh; 120 °C，lh; 150 °C，lh; 200 °C，lh; 280 °C，30min; 320 °C，2h; 熱豐旲壓加工完成后，隨硫化機(jī)空冷；
[0016] (5)最后對中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料進(jìn)行中子屏蔽性能檢測，檢測輻照前后 中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0017] 本發(fā)明具有如下有益效果:通過對乏燃料儲存用中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料進(jìn) 行力學(xué)性能及中子屏蔽性能測試，中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于同類產(chǎn) 品，可以在保證屏蔽效果的前提下減小復(fù)合材料壁厚，降低其密度。該中子屏蔽超混雜層板 復(fù)合材料還可以根據(jù)儀器或設(shè)備的要求設(shè)計(jì)出不同曲率、不同結(jié)構(gòu)的樣品，應(yīng)用于中子衍 射譜儀等探測儀器或探測機(jī)器人表面，以降低輻射對其損傷，提高探測效率。
【附圖說明】：
[0018] 圖1為本發(fā)明中陽極氧化實(shí)驗(yàn)原理圖。
[0019] 圖2為3/2結(jié)構(gòu)的乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料。
[0020] 圖3為4/3結(jié)構(gòu)的乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料。
[0021] 圖4為5/4結(jié)構(gòu)的乏燃料儲存用新型中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料。
[0022] 圖5為中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的制備工藝流程圖。
[0023] 圖6為中子屏蔽測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0024]本發(fā)明乏燃料儲存用中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料主要構(gòu)成包括AA6061鋁合金 板、碳化硼增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料以及碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料。其中碳纖維增 強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料由碳纖維與聚酰亞胺經(jīng)過排布機(jī)制備而成，平均厚度為0.125mm，碳化 硼增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料由碳化硼粉末與PMR型聚酰亞胺混合制備而成。
[0025]本發(fā)明采用具有耐輻射性能的PMR型聚酰亞胺(KH-308)作為基材，添加有較大熱 中子吸收截面的碳化硼顆粒，以有效增加屏蔽材料的1()B面密度，從而使屏蔽效率呈指數(shù)升 高，最終實(shí)現(xiàn)上述效果，尤其是提高中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的制備效率與力學(xué)性能， 延長中子屏蔽材料的使用壽命。此外，中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料可以加工出不同形狀 和結(jié)構(gòu)特征的乏燃料儲存格架，制備完后待用。
[0026]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0027] 中子屏蔽復(fù)合材料的組分構(gòu)成如下： PMR型聚酰亞胺（KH-308) 100重量份 碳化硼粉體 10~50重量份
[0028] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) AA6061鋁合金板 裉據(jù)鋪設(shè)結(jié)構(gòu)調(diào)整
[0029]由于PMR型聚酰亞胺(KH-308)樹脂可以在300 °C下長期使用，在聚合物中耐高溫性 能較為優(yōu)異，而且KH-308具有良好的介電性能，并在寬廣的溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，同 時(shí)KH-308具有非常優(yōu)越的耐輻照性能，作為基材其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)。
[0030] 本發(fā)明中中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料可以分為3/2、4/3和5/4等幾種不同類型 的結(jié)構(gòu)，并可按相似結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行多層鋪設(shè)
[0031] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH3a8) 100質(zhì)量份 碳化硼 10質(zhì)量份
[0032] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 3/2結(jié)構(gòu)
[0033] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含：
[0034] PMR型聚酰亞胺（KH308) 100質(zhì)量份 :碳化硼 20質(zhì)量份
[0035] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 3/2結(jié)構(gòu)
[0036] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH308) 100質(zhì)量份 碳化硼 30質(zhì)量份
[0037] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 3/2結(jié)構(gòu)
[0038] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH308) 100質(zhì)量份 碳化硼 40質(zhì)量份_
[0039] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 3/2結(jié)構(gòu)
[0040] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH308) 100質(zhì)量份 碳化硼 50質(zhì)量份
[0041] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 3/2結(jié)構(gòu)
[0042] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH308) 〗00質(zhì)量份 碳化硼 50質(zhì)量份
[0043] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 4/3結(jié)構(gòu)
[0044] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，其中所述的中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料包含： PMR型聚酰亞胺（KH308) 10:0質(zhì)量份 碳化硼 50質(zhì)量份
[0045] 碳纖維鋪層 雙層單向鋪設(shè) 鋪層結(jié)構(gòu) 5/4結(jié)構(gòu)
[0046] 在本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)施方案中，還可以添加阻燃劑， 其非限制性的例子是氫氧化鋁，也可以其他類型的填料，比如二硼化鋯，用來提高中子屏蔽 超混雜層板復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
[0047]本發(fā)明中子屏蔽超混雜層板復(fù)合材料的制備步驟如下：
[0048] (1)首先在室溫條件下對AA6061鋁合金薄板進(jìn)行陽極氧化，處理工藝如下：①堿 洗:配置濃度分別為25~30g/L NaOH和Na2C03溶液，溫度：70~80°C，0.5~lmin，開水;②酸 洗:配置濃度為300~500g/L HN〇3溶液，2~5min，蒸餾水;③最后采用濃度為130~150g/L 的H3P〇4溶液進(jìn)行陽極氧化，溫度:25 °C，電壓：10V，時(shí)間：20min，陽極氧化實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1 所示。
[0049] (2)配置1 Owt %~50wt %等多種濃度的B4C/PMR混合懸濁液，攪拌均勻后置入烘箱 加熱以揮發(fā)出大部分溶劑，玻棒攪拌獲得分散均勻的粘稠液；
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