一種中子吸收材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種中子吸收材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]核燃料使用過后會變成乏燃料，具有很高的中子輻射作用，如若處理不當(dāng)會對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射污染。隨著核工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的核電站都相繼投入使用，也將導(dǎo)致大量的乏燃料的生成，由于貯存空間的有限以及反應(yīng)堆使用年限的延長，核工業(yè)面臨著乏燃料高密集化、長期化貯存的挑戰(zhàn)，因此對乏燃料貯存格架提出了更高的使用要求，即中子吸收能力強(qiáng)，能滿足乏燃料高密集、長期貯存的要求。因此開發(fā)具有優(yōu)秀中子吸收能力的材料作為乏燃料貯存格架材料是解決未來乏燃料貯存臨界控制問題最有效的方法。
[0003]常用的中子屏蔽材料有鋁硼合金、硼鋼、含硼聚乙烯和匕(:/^1復(fù)合材料等。鋁硼合金和硼鋼均由于其含硼量有限，無法滿足乏燃料高密度貯存的要求；含硼聚乙烯由于基體為聚合物，因此力學(xué)性能一般，同時(shí)容易發(fā)生老化發(fā)脆，導(dǎo)致其使用壽命短。B4C/A1復(fù)合材料由于其低密度，良好的力學(xué)性能，同時(shí)可以通過工藝調(diào)節(jié)B4C含量來提高吸收熱中子的能力，使其成為優(yōu)秀的熱中子屏蔽材料。國際上最常用的兩種乏燃料貯存格架材料，即BORAL和METAMIC均為B4C/A1復(fù)合材料。BORAL是將混合好的碳化硼粉和鋁粉，放入焊接密封好的鋁合金箱，通過熱乳的工藝制得上下層為鋁薄板，中間層為均勻混合的碳化硼粉和鋁粉的板材，BORAL的特點(diǎn)是含碳化硼量很高，能達(dá)到65%，但缺點(diǎn)為由于其混合粉體沒有經(jīng)過燒結(jié)，致密度低，塑性差，同時(shí)在使用過程中易發(fā)生起泡等現(xiàn)象。METAMIC采用粉末冶金工藝，將鋁粉和碳化硼粉混合，采用冷等靜壓、真空燒結(jié)和擠壓等工藝制備成B4C/A1復(fù)合材料，其含碳化硼量沒有BORAL高(45wt% )，同時(shí)制備工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高。
[0004]國內(nèi)近些年對B4C/A1復(fù)合材料開始了大量研究。專利號為CN102392148A，發(fā)明名稱為“一種鋁基碳化硼中子吸收復(fù)合材料的制備方法”中采用混粉、冷壓制坯和燒結(jié)工藝制備了不同含量碳化硼量的B4C/A1復(fù)合材料。
[0005]專利號為CN102280156A，發(fā)明名稱為“一種鋁基碳化硼中子吸收板的制備方法”中采用球磨的方式，將氧化后的鋁粉、碳化硼粉、鈦粉、硅粉和硼酸晶體混合，采用粉末冶金及熱擠壓的方式制成B4C/A1復(fù)合材料板材。但復(fù)合材料延伸率低，僅有1.8%，不易于二次加工成型。
[0006]專利號為CN102094132A，發(fā)明名稱為“B4C_A1復(fù)合材料制備方法”中，采用混粉、冷壓制坯、真空燒結(jié)和多次熱乳的工藝制備了含B4C量5%?35%的匕(:41復(fù)合材料，發(fā)明結(jié)果表明，當(dāng)碳化硼含量較少，僅為15%時(shí)，復(fù)合材料有優(yōu)秀的塑性，延伸率高達(dá)10%，但隨著碳化硼含量的增加，塑性下降明顯，碳化硼含量達(dá)到30%時(shí)，復(fù)合材料的延伸率不到2%，也就是說，隨著碳化硼含量的增加，復(fù)合材料的中子屏蔽性能升高，但是塑性下降，不利于材料的熱加工。
[0007]專利號為CN102110484B，發(fā)明名稱為“一種乏燃料貯運(yùn)用B4C-Al中子吸收板的制備方法”中，同樣采用混粉、冷壓制坯和燒結(jié)工藝制備了含10wt%?65被％的B4C-Al復(fù)合材料，并將其裝入鋁合金框架中焊接密封再進(jìn)行熱乳，最后制得B4C-Al中子吸收板。同樣存在上述問題，即高碳化硼含量使得復(fù)合材料的塑性急劇下降，經(jīng)過熱乳后的含有35%的復(fù)合材料延伸率僅有4.1 %，同時(shí)致密度僅有96.8%。
[0008]從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，B4C/A1復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的中子吸收性能，用于乏燃料屏蔽材料具有非常廣闊的應(yīng)用潛力，國內(nèi)外對此的研究也十分廣泛，然而面對未來乏燃料貯存高密集化、長期化的特點(diǎn)，提高B4C含量，也就是提高復(fù)合材料的中子屏蔽性能，對于B4C/A1復(fù)合材料是必經(jīng)之路。然而過多的碳化硼勢必會導(dǎo)致材料的塑性下降，不利于復(fù)合材料的加工成型。當(dāng)碳化硼含量超過30%時(shí)，這種塑性下降的情況變得特別明顯，同時(shí)材料致密度也會下降。而過低的碳化硼含量無法有效保證中子屏蔽性能。因此如何在保證復(fù)合材料中子屏蔽性能的同時(shí)，提高復(fù)合材料的塑性是B4C/A1復(fù)合材料作為乏燃料貯存格架材料發(fā)展所必須解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的乏燃料屏蔽材料無法在保證復(fù)合材料中子屏蔽性能的同時(shí)，又能提高復(fù)合材料的塑性的問題，而提供一種中子吸收材料及其制備方法。
[0010]本發(fā)明一種中子吸收材料按體積分?jǐn)?shù)由10%?20%碳化硼、I %?2%中子吸收劑和78%?89%含鋁材料制成；所述碳化硼是粒徑為17.5 μπι的碳化硼顆?；蛄綖? μπι的碳化硼顆粒；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金。
[0011]本發(fā)明一種中子吸收材料的制備方法是按以下步驟進(jìn)行:
[0012]一、按體積分?jǐn)?shù)稱取10 %?20 %碳化硼、I %?2 %中子吸收劑和78 %?89 %含鋁材料；所述碳化硼是粒徑為17.5 μπι的碳化硼顆?；蛄綖? μπι的碳化硼顆粒；
[0013]二、將步驟一稱取的10 %?20 %碳化硼、I %?2 %中子吸收劑和78 %?89 %含鋁材料分別在溫度為35°C?50°C的干燥箱中干燥24h?36h，得到干燥后的碳化硼、干燥后的中子吸收劑和干燥后的含鋁材料；
[0014]三、將步驟二得到的干燥后的碳化硼、干燥后的中子吸收劑和干燥后的含鋁材料混合，然后在轉(zhuǎn)速為250r/min?350r/min的條件下球磨0.5h?2h，得到混合粉體；將混合粉體在溫度為35°C?50°C的干燥箱中干燥24h?36h，得到干燥的粉體；
[0015]四、將步驟三得到的干燥的粉體裝入模具中，在壓力為1MPa?30MPa的條件下冷壓制成胚體，然后連同模具一起放入熱壓燒結(jié)爐中，在熱壓溫度為600°C?700°C和壓力為80MPa?120MPa的條件下熱壓燒結(jié)2h?3h，隨爐冷卻后，脫模得到中子吸收材料。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]本發(fā)明的中子吸收材料致密度高，由于碳化硼含量在10%?20%左右，不僅起到了較好的增強(qiáng)效果，同時(shí)能夠發(fā)揮鋁合金的塑性，復(fù)合材料的塑性較好，易于加工成型；同時(shí)由于中子吸收材料中添加了高中子吸收截面的元素顆粒，提高了復(fù)合材料對中子的吸收能力；制備得到的中子吸收材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，延伸率可達(dá)8%，遠(yuǎn)超于國內(nèi)外同等碳化硼含量的B4C/A1復(fù)合材料，同時(shí)具有優(yōu)秀的中子吸收性能，采用MCNP計(jì)算，Gd體積分?jǐn)?shù)為I %的中子吸收材料僅2mm厚就能屏蔽99 %以上的熱中子，能夠滿足我國目前乃至未來，乏燃料貯存高密集化、長期化的需求。
【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)施例一得到的中子吸收材料的拉伸曲線圖；
[0019]圖2為在Am-Be中子源條件下實(shí)施例一得到的中子吸收材料、實(shí)施例二得到的b4c/ai復(fù)合材料和實(shí)施例三得到的b4c/ai復(fù)合材料的屏蔽性能對比曲線；其中I為實(shí)施例一得到的中子吸收材料，2為實(shí)施例二得到的B4C/A1復(fù)合材料，3為實(shí)施例三得到的B4C/A1復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0020]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種中子吸收材料按體積分?jǐn)?shù)由10%?20%碳化硼、1%?2%中子吸收劑和78%?89%含鋁材料制成；所述碳化硼是粒徑為17.5 μπι的碳化硼顆粒或粒徑為5 μπι的碳化硼顆粒；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金。
[0021]本實(shí)施方式的中子吸收材料致密度高，由于碳化硼含量在10%?