一种双链仿生辐射屏蔽结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及核辐射屏蔽设计领域，具体涉及一种双链仿生辐射屏蔽结构及其制造方法。

背景技术

核能是安全、清洁、低碳、高能量密度的战略能源，为了应对环境和能源危机各个国家愈加重视对于核能的开发利用，不断有先进的新型反应堆被研制出来。而安全问题是核能需要考虑的关键问题之一，先进的新型反应堆(如小型移动式)往往要求高性能的屏蔽、更轻的质量，传统的屏蔽方式如采用混凝土墙、铅等常常难以满足要求，因此选用轻质材料(如聚合物基材料)、设计高效辐射屏蔽结构以屏蔽来自反应堆产生的各种射线是解决传统辐射屏蔽结构重和屏蔽性能差的很好手段。

来自反应堆的射线包括α、β、γ射线以及中子流等，其中γ射线和中子流具备很强的穿透能力，是主要需要考虑屏蔽的射线。大量的研究发现采用多层级结构及时慢化、吸收中子和伽马射线有利于辐射屏蔽性能的提升。但是辐射中的射线的运动具有随机性，往往采用传统的多层结构仅能在多层级结构的分层的法向上实现及时的中子慢化和吸收以及对于伽马射线的吸收，而若在平行方向上也存在多层级结构将使得随机运动的射线能够经历更多级的辐射屏蔽进而提升辐射屏蔽性能。因此如何设计一种能适应于各个方向都能及时慢化、吸收中子和吸收伽马射线的材料和结构是提升辐射屏蔽能力的一种有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双链仿生辐射屏蔽结构及其制造方法，以解决传统辐射屏蔽结构屏蔽效率低、结构重的问题，本发明设计了一种能够在各个方向上实现慢化与及时吸收中子、伽马射线的轻质高效聚合物基体辐射屏蔽结构，并针对该屏蔽结构提出了一种与之相适应的增材制造方法，保障了其在原理可行并可被制造。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双链仿生辐射屏蔽结构，包括若干呈阵列排布的屏蔽单元，所述屏蔽单元包括用于吸收伽马射线的第一单链、用于吸收中子的第二单链以及用于起支撑作用且慢化中子的包壳，所述第一单链和第二单链按照双链DNA螺旋结构螺旋缠绕形成圆柱形的芯体，所述包壳包裹在芯体的外侧，使屏蔽单元的外侧形状为规则棱柱状。

进一步地，所述第一单链和第二单链的横截面均为半圆形。

进一步地，所述包壳为能够使相邻屏蔽单元以面接触排布的结构。

进一步地，所述包壳为四棱柱或六棱柱，所述四棱柱或六棱柱的中心位置为与芯体匹配的空心圆柱。

进一步地，所述第一单链采用聚乙烯作为基体材料，以铅、钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料。

进一步地，所述第二单链采用聚乙烯作为基体材料，以碳化硼、氮化硼或氧化钆作为辐射屏蔽增强相材料。

进一步地，所述包壳采用聚醚醚酮作为基体材料，以钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料。

一种双链仿生辐射屏蔽结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：通过三维软件绘制双链仿生辐射屏蔽结构构型，并采用3D打印切片软件处理模型数据；

步骤二：根据芯体和包壳所具备的不同功能制备多种3D打印用复合材料丝材；

步骤三：根据步骤一所得处理数据和步骤二制备的复合材料丝材，通过多喷头3D打印设备同时打印芯体与包壳，实现双链仿生辐射屏蔽结构的分层实体制造。

进一步地，所述多喷头3D打印设备包括若干3D打印喷头，所述3D打印喷头包括3D打印喷头送丝轮、3D打印喷头喉管、3D打印喷头加热块和3D打印喷嘴；

所述3D打印用复合材料丝材通过3D打印喷头送丝轮输送至3D打印喷头喉管中，3D打印喷头喉管上设置有用于将3D打印用复合材料丝材加热熔化的3D打印喷头加热块，3D打印喷头喉管的出口端连接3D打印喷嘴。

进一步地，所述3D打印用复合材料丝材包括第一复合材料丝材、第二复合材料丝材以及第三复合材料丝材；

所述第一复合材料丝材采用聚乙烯作为基体材料，以铅、钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料；

所述第二复合材料丝材采用聚乙烯作为基体材料，以碳化硼、氮化硼或氧化钆作为辐射屏蔽增强相材料；

所述第三复合材料丝材采用聚醚醚酮作为基体材料，以钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明设计的辐射屏蔽结构具有轻质与高效的特点，通过增材制造方式能够实现一体化成型，其优势具体表现在如下几个方面：

对比传统的混凝土、不锈钢、铅等材料制造的屏蔽结构，本发明能实现分级高效屏蔽，能够经过慢化和吸收的分级吸收过程实现了更好吸收射线，具备高效特点由于基体材料的选择还兼具轻质的特点；对比单一聚合物基体材料制造的辐射屏蔽结构，本发明由于芯体的高含氢与包壳的高力学性能，使得结构整体兼顾了含氢量与力学性能，可作为结构件使用也具备强中子慢化效果；对比具有分层多级屏蔽设计(具备慢化层与吸收层)的辐射屏蔽结构，本发明的设计使得在相同厚度下，无论何种方向射入的以何种方式运动的射线将至少一次甚至多次穿过界面(原设计仅穿过一次界面)实现多次的慢化和吸收效果，从而在同样厚度下实现更高效的辐射屏蔽。

此外，本发明中设计的结构复杂难以采用传统方式制造，基于此本发明采用了一种3D打印制造方法实现该结构一体化成型，具备制造周期短与成本低的特点。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明屏蔽单元结构示意图，(a)为四棱柱包壳结构，(b)为六棱柱包壳结构；

图2为本发明屏蔽单元中芯体的结构示意图；

图3为本发明屏蔽单元中的四棱柱包壳结构示意图；

图4a为图1中A-A及在该截面下屏蔽结构对水平运动射线的屏蔽过程示意图；

图4b为图1中B-B水平截面及在该截面下屏蔽结构对水平运动射线的屏蔽过程示意图；

图5为图1中C-C竖直截面及在该截面下屏蔽结构对水平运动射线的屏蔽过程示意图；

图6为本发明双链仿生辐射屏蔽结构3D打印(FDM)示意图。

图中，1、第一单链；2、第二单链；3、包壳；4、3D打印喷嘴；5、3D打印喷头加热块；6、3D打印喷头喉管；7、3D打印喷头送丝轮；8、第一复合材料丝材；9、第二复合材料丝材；10、第三复合材料丝材。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明双链仿生辐射屏蔽结构设计思路如下：

根据生物界中DNA双螺旋结构的排布规律，双链具备的特点在于：在各个方向穿过双螺旋结构均可经过两条链。为本发明中设计一种能够在各个方向上实现慢化、及时吸收中子、伽马射线的屏蔽结构提供了设计思路，即采取一条单链用于中子慢化及伽马射线吸收，另一条单链用于中子吸收的设计。该设计的特点在于：当射线从不同方向穿过屏蔽结构时，均会穿过双螺旋的两条单链从而实现从慢化到吸收分级的辐射屏蔽过程。

针对以上设计思路，确定采取以横截面为半圆的结构作为双螺旋的单链，双链缠绕形成圆柱状作为芯体，最终屏蔽结构为芯体均匀排布构成。

由于均匀排布圆柱以相切方式线接触，使得组成的屏蔽结构产生较多孔隙，进一步对上述结构进行优化消除孔隙。优化设计屏蔽单元为芯体加包壳结构，芯体采取双螺旋结构主要实现各个方向的射线屏蔽作用，包壳采取四棱柱(不限于四棱柱，如六棱柱等以面接触排布结构)主要用于消除结构孔隙并作为支撑和射线吸收结构。

通过3D打印方式制造上述设计构型。首先，通过三维软件绘制上述构型，并采用3D打印切片软件处理模型数据。此外，根据芯体双链与包壳所具备的不同功能制备多种3D打印专用材料。最后，通过所得的上述数据与制备的专用材料，通过多喷头3D打印设备同时打印具备多材料复杂构型的芯体与包壳模型，实现该屏蔽结构的分层实体制造。

本发明一种仿生双链辐射屏蔽结构及其制造方法，最大的特点在于：1、采用了双链螺旋芯体加包壳结构的设计，从而能够实现来自各个方向的射线屏蔽；2、对于芯体和包壳的材料选择较为自由，使得辐射屏蔽结构能兼具力学性能与高的含氢量。包壳可选择力学性能和耐热性能较好的聚醚醚酮基体材料(不限于聚醚醚酮，具备较好力学性能与耐热性能树脂即可)，作为支撑结构，选择伽马射线吸收剂作为填料，如钨、铅等。芯体选择中子慢化效果好的聚乙烯材料(不限于聚乙烯，具备较高含氢量能较好慢化中子的树脂即可)，选择中子吸收剂，如碳化硼、氮化硼等，和伽马射线吸收剂，如钨、铅等，分别作为两条单链的填料。

本发明包壳材料选用高性能聚合物材料(如聚醚醚酮)使得其具有较好的机械性能，但是聚醚醚酮类高性能聚合物通常含氢量较低。此外，通常对于目前的聚合物来说，含氢量与机械性能难以兼顾，因此在材料体系选择上确定为：包壳选择聚醚醚酮以提供整体机械性能，芯体选择聚乙烯以提高结构整体的含氢量。

实施例

本发明中提供了一种双链仿生辐射屏蔽结构及其制造方法，该辐射屏蔽结构具备良好的辐射屏蔽能力，辐射屏蔽结构由多个屏蔽单元构成，为了说明该结构的辐射屏蔽性能，首先介绍该辐射屏蔽结构的屏蔽单元的屏蔽过程，通过了解屏蔽单元的屏蔽原理即可理解整个屏蔽结构的屏蔽原理。

本发明中的屏蔽单元如图1所示，由芯体和包壳3构成。芯体结构如图2所示，由第一单链1和第二单链2构成；包壳3如图3所示，主要起到支撑和避免结构孔隙，可采取多种结构，如正四棱柱、正六棱柱(图1所示的两种结构)等，为了方便阐述本发明以正四棱柱进行实施方式说明，其他结构包壳与之类似。对该屏蔽单元的各部分材料优化选择如下：

该屏蔽单元中优选的材料主要有聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)、钨、铋、碳化硼、氮化硼、氧化钆。其中聚醚醚酮和聚乙烯作为优选的基体材料，两者均具备轻质的特点，聚醚醚酮具备很好的力学性能和耐热性能适合作为结构件承受载荷并含有一定氢元素能实现一定程度慢化中子的效果，聚乙烯具备很高的氢含量是一种优质的中子慢化剂能够很大程度上慢化中子；铅、钨、铋、碳化硼、氮化硼、氧化钆作为优选的辐射屏蔽增强相起到吸收辐射射线的作用，其中钨、铋为重元素主要起到伽马射线吸收作用，碳化硼、氮化硼中硼元素具备较大的中子吸收截面能很好吸收中子并仅产生少量二次伽马射线，氧化钆中钆具有各种元素中最大的热中子吸收截面，理论上具备最好的中子吸收性能。

进一步地，所述包壳3具备的功能是能一定程度上慢化中子并吸收部分伽马射线。此外，包壳3作为支撑结构需具备一定的力学性能和耐高温性能，优选材料为聚醚醚酮材料为基体添加钨、铋等原子序数大的元素吸收伽马射线。

进一步地，所述芯体由不同屏蔽材料的第一单链1和第二单链2以螺旋缠绕(双链DNA螺旋结构)结构的形成，具备的功能为更好的慢化中子、吸收中子、吸收伽马射线和吸收在物质与中子作用过程中产生的次级伽马射线，优选芯体基体材料为聚乙烯，其中第一单链1主要起到慢化中子和吸收伽马射线效果，采用聚乙烯基并添加钨、铋等重元素材料作为屏蔽增强相；第二单链2主要起到中子慢化和吸收效果，采用聚乙烯基体并添加氮化硼、碳化硼、氧化钆等材料作为屏蔽增强相。

综上所述，本发明中通过采用聚醚醚酮基体包壳3，使得辐射屏蔽结构具备良好的力学性能以及耐热耐辐照性能，双链芯体采用聚乙烯基体材料，使得辐射屏蔽结构具有良好中子慢化能力进而提升辐射屏蔽性能，并通过优选辐射屏蔽增强材料很好实现了对中子和伽马射线的屏蔽。

下述对于本发明中屏蔽单元的屏蔽原理进行介绍：

当包含伽马射线和中子流的辐射射线水平穿过屏蔽单元时，由于射线的运动具有随机性可能继续沿水平运动也可能竖直方向运动，本发明的屏蔽单体能够实现对来各个方向的射线均进行很好的屏蔽吸收进而提高屏蔽性能。

射线首先将穿过包壳3，当沿水平运动时具有多种情况：1.穿过第一单链1后再经过第二单链2，具有慢化中子后再吸收的特点，上述过程如图4a所示；2.穿过第二单链2再经过第一单链1，具有吸收中子后再吸收伽马射线及次级伽马射线的特点，具体过程如图4b所示。同样射线穿过包壳3后，沿竖直方向也具有上述的两种情况，其中一种情况如图5所示，显示了射线先穿透第二单链2再穿透第一单链1时的射线屏蔽过程；另外一个情况可类比水平运动时情况1得到。最终，射线在水平和竖直运动时都将经过多层分级屏蔽。综上所述，在水平方向双链结构能实现与双层结构同等效果，在竖直方向由于运动时将反复通过两条单链多次，实现了比双层结构更好的效果。而射线在屏蔽结构中的随机运动均可看成由水平方向和竖直方向的运动叠加构成，因此该结构能应对来自各个方向的射线和由于射线随机运动都能得到等于(沿水平运动)或者大于(非水平运动)两层级的辐射屏蔽效果，通过如图6所示的多个屏蔽单元的组合，将实现比传统多层级结构更好的辐射屏蔽性能，此外还具有很好的力学性能和耐热性能兼具轻质特点。

进一步地，将较小的辐射屏蔽单元进行排列能得到各种目标的屏蔽结构。

进一步地，对于上述目标屏蔽结构的制造若采用图2所示的芯体和图3所示的包壳3分开制造再装配的传统制造方式难以实现，因此需要采用3D打印方式实现。

进一步地，通过多个3D打印喷头，分别使用第一复合材料丝材8；第二复合材料丝材9；第三复合材料丝材10，打印包壳3和芯体(由第一单链1与第二单链2螺旋构成)实现屏蔽结构的制造，所述第一复合材料丝材8采用聚乙烯作为基体材料，以铅、钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料；所述第二复合材料丝材9采用聚乙烯作为基体材料，以碳化硼、氮化硼或氧化钆作为辐射屏蔽增强相材料；所述第三复合材料丝材10采用聚醚醚酮作为基体材料，以钨或铋作为辐射屏蔽增强相材料，如图6所示，3D打印用复合材料丝材通过3D打印喷头送丝轮7输送至3D打印喷头喉管6中，3D打印喷头喉管6上设置有用于将3D打印用复合材料丝材加热熔化的3D打印喷头加热块5，3D打印喷头喉管6的出口端连接3D打印喷嘴4。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。