一种基于梯度多孔结构的中子防护装置和制备方法

技术领域

本发明属于核防护技术领域，具体涉及一种基于梯度多孔结构的中子防护装置和制备方法。

背景技术

作为一种清洁能源，核能是一个具有巨大前景和发展意义的领域，但由于中子射线对人体与核装置零件伤害极大，其穿透性也很强，可能会引起次生辐射，因此提高核防护(主要为中子防护)装置的防护效果与使用寿命是核能推广中的重要一环。

目前的中子防护装置大多采用中子吸收材料粉末冶金烧结或发泡陶瓷浇筑铝基材料等方式制造，例如往粉体中加入碳化硼等混合制作浆料作为防护材料，再将其注入模具中而后进行烧结得到。

其存在以下技术问题：

防护材料在防护装置内的填充性较差，导致防护装置内的某些地方往往出现难以成型等情况，影响屏蔽效果；难以同时兼顾防护装置的屏蔽效果与力学性能，无法实现防护装置的防护效果与使用寿命最大化。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种基于梯度多孔结构的中子防护装置，防护材料在防护装置内的填充性较好，能够同时兼顾屏蔽效果与力学性能，提高防护装置的中子屏蔽效率和服役寿命。

本发明的目的之二是：提供一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于梯度多孔结构的中子防护装置，包括与被屏蔽结构相适应的外壳，外壳内固设有梯度多孔结构，梯度多孔结构设有多个互相连通的孔隙，梯度多孔结构的孔隙率在三维方向梯度渐变，孔隙内填充有防护填充物。

进一步，梯度多孔结构的孔隙类型与孔隙率根据其与被屏蔽结构的相对位置以及所需要的屏蔽等级和受力情况而相应调整。

进一步，梯度多孔结构的孔隙率由下至上以及由外至内均逐渐增大。

进一步，防护填充物为具有屏蔽作用的可浇筑材料，在浇筑时为液态，浇筑后转变为固态。

进一步，可浇筑材料为具有屏蔽作用的无机材料和耐高温树脂的混合物，或者是具有屏蔽作用且熔点较低的金属材料。

进一步，外壳和梯度多孔结构均采用具有较高强度、韧性与耐腐性的金属材料，或者是兼具强度与屏蔽作用的金属材料。

一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的制备方法，包括以下步骤，

制备防护装置的外壳和外壳内的梯度多孔结构，其中，外壳与被屏蔽结构相适应；梯度多孔结构设有多个互相连通的孔隙，且梯度多孔结构的孔隙率在三维方向梯度渐变；

将可浇筑的防护填充物注入外壳内并填满梯度多孔结构的各个孔隙，并将防护填充物转变为固态。

进一步，制备防护装置的外壳和梯度多孔结构包括以下步骤，

设计与被屏蔽结构相适应的防护装置的外壳；根据被屏蔽结构的不同位置屏蔽等级要求与受力情况分析，在外壳空腔内设计出梯度多孔结构，梯度多孔结构具有多个互相连通的孔隙，梯度多孔结构的孔隙率在三维方向梯度渐变；根据外壳与梯度多孔结构形状在外壳上分别设计出浇筑口和通气孔；使用增材制造技术将外壳、梯度多孔结构、浇筑口和通气孔一体化成形。

进一步，增材制造时，通气孔与真空泵连接，使外壳内形成一定负压以提高浇筑质量，增材制造完成后，从通气孔向外壳内通入高压气体，将未成形的多余浇筑材料从浇筑口中排出。

进一步，采用轻-重元素组合，同等重量和杂化混合液作为防护填充物，设计不同的浇筑顺序，按照轻、重离子分层浇筑，以提高总体屏蔽效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明防护装置中，由于梯度多孔结构的多个孔隙互相连通，防护填充物能够充分填充到各个孔隙内，防护填充物在防护装置内的填充性较好，屏蔽效果更好。由于梯度多孔结构的孔隙率在三维方向梯度渐变，因此，在孔隙率较高处填充有较多的防护填充物，防护填充物占比更高，可用于贴近被屏蔽结构，具有较好的屏蔽效果；在孔隙率较低处填充有较少的防护填充物，梯度多孔结构占比更高，具有较好的力学性能，可用于连接外部固定结构，延长了防护装置的使用寿命。本发明的防护装置能够同时兼顾屏蔽效果与力学性能，提高了防护装置的中子屏蔽效率和服役寿命。

附图说明

图1为一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的剖面示意图。

图2为一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的立体结构示意图。

图3为一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的侧视示意图。

图中：

1-外壳；2-浇筑口；3-通气孔；4-梯度多孔结构；5-防护填充物。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细的描述。

如图1-图3所示，一种基于梯度多孔结构的中子防护装置，包括基体结构、防护填充物5、通气孔3、浇筑口2；基体结构包括用于固型的外壳1和梯度多孔结构4，外壳1与内部梯度渐变多孔结构采用CAD计算机辅助设计，并采用增材制造一体化成形；外壳1用于固定梯度多孔结构4与防护填充物5，其外形可随被屏蔽结构而改变；防护填充物5为具有屏蔽作用的可浇筑材料；气孔与浇筑口2设于外壳1上。

外壳1形状可根据被屏蔽结构等距放大而成，确保其在填充防护填充物5后的防护性能，并根据使用安装固定需要设计出安装结构。

梯度多孔结构4的孔隙类型与孔隙率根据其与跟被屏蔽结构的相对位置以及所需要的屏蔽等级、受力情况而变化。在底部受力较大部位孔隙率低，基体材料多，力学性能好；在中上部受力较小，对屏蔽防护要求较高处孔隙率高，屏蔽效果好；不同孔隙类型或不同孔隙率间相互连通且连接平滑，孔隙率在三维方向梯度渐变。

外壳1为密闭腔体，仅通过通气孔3与浇筑口2与外部相连；浇筑口2设计于基体结构孔隙率最大部分的外壳1处，即外壳1顶部；通气孔3设计于基体结构孔隙率最小部分的外壳1处，即外壳1底部，并根据所连接管道粗细需要设计成相应气管接口形状；通气孔3与浇筑口2各设计一个。

防护填充物5是具有屏蔽作用有机-无机杂化混合液，在浇筑时为液态，浇筑后可通过加热固化的方式转变为固态

基体结构采用铝合金材料，具有较高强度、韧性与耐腐性。

一种基于梯度多孔结构的中子防护装置的制备方法，本实施例实现的是Al-BC中子吸收多孔结构中子防护装置的增材制造，包括如下步骤：

S1，首先根据被屏蔽结构设计铝基防护装置外壳1；

S2，根据不同位置屏蔽等级要求与受力情况分析，在外壳1空腔内设计出具有不同孔隙率的铝基梯度多孔结构4，其中，梯度多孔结构4的孔隙率在三维方向梯度渐变；

S3，根据外壳1形状与内部孔隙结构在外壳1处开孔，设计出浇筑口2与通气孔3；

S4，以铝粉作为基体材料，使用增材制造技术将铝基外壳1、梯度多孔结构4、浇筑口2与通气孔3一体化成形；

S5，增材制造完成后，以浇筑口2作为排粉口，向通气孔3通入高压气体，将未成形的多余铝粉从浇筑口2中排出；

S6，为使材料能够具备光子、中子两种性质的屏蔽性能，从分子层面，将Gd、W、Sm、B等优选的辐射功能元素(离子)与丙烯酸、甲基丙烯酸等有机分子进行化学键合，形成无机-有机杂化辐射防护功能分子；从微纳米粒子层面，对WO

通过增材制造一体化成形出外壳1与梯度多孔结构4，再通过浇筑口2灌注具有屏蔽功能的可浇筑材料，从而制造出性能优异的定制化中子防护装置。防护材料与基体材料在防护装置中分布更合理、有效，可以同时提高防护装置的中子屏蔽效率和服役寿命。基体的外壳1与内部梯度多孔结构4具有极高的设计自由度，能很好地根据被屏蔽区域所需要的防护等级与受力情况进行个性化制造，使基体具有较好的力学性能与较轻的质量，可以适用于更多的使用场景。

S7，从宏观层面，后续以智能制造的多孔材料为模板，通过功能元素杂化有机分子、改性微纳米功能粒子、聚酰胺前驱体对多孔材料进行填充，将化学功能元素键合的功能离子和B

S7，将树脂基液态混合物其从浇筑口2注入外壳1内，将外壳1内孔隙填满；

S8，将填充完成后的外壳1放入加热炉中加热，使液态混合物受热固化；

S9，待防护填充物5凝固后将外壳1上的浇筑口2与气孔切除；

步骤S2中，所述基体结构中的梯度多孔结构4总体上孔隙率在三维方向成梯度渐变，主要表现为：在竖直方向上，其防护装置底部、连接固定结构等部位孔隙率低，在浇筑后有机-无机杂化混合液较少，金属铝较多，具有较好的力学性能，在上部靠近被屏蔽材料的部位孔隙率高，在浇筑后杂化混合物较多，金属铝较少，具有较好的屏蔽效果；在水平平面上，其外圈孔隙率低，在浇筑后杂化混合物较少，金属铝较多，具有较好的力学性能；内圈靠近被屏蔽材料的部位孔隙率低，在浇筑后有机-无机杂化混合液较多，金属铝较少，具有较好的屏蔽效果。两部位间的多孔结构梯度成渐变过渡。梯度多孔结构4能够调整不同部位杂化混合物与金属铝的比例，实现防护装置的防护效果与使用寿命最大化。

步骤S7中，所述将树脂基杂化混合物注入外壳1内的操作，通气孔3在浇筑时与真空泵通过气管连接，通过抽气使外壳1内形成一定负压，这样做不仅能够使浇筑更加顺畅，提高浇筑的效率，还能避免气泡气孔的产生，提高浇筑的质量。

上述浇筑步骤中，为提高光子、中子的混合防护效果，可以设计不同的浇筑顺序，以提高总体屏蔽效果。实例如入射射线类型为中低能中子，为了防护可能产生的二次射线(如Gd)，将采用轻-重元素组合，同等重量和杂化混合液，按照轻、重离子分层浇筑，浇筑方式为将含重离子的杂化混合液至于射线后层，将含有轻离子的杂化混合液为射线前层；实例如入射射线类型为光子，为将采用多重金属离子杂化混合液，同时，将镧掺杂在复合混合液中，并置于结构底层，来弥补钨在0.03-0.06MeV范围内的弱吸收性。

综上所述，本发明具有如下优点：

(1)提高的力学性能与服役寿命：现有防护装置多采用碳化硼粉末冶金烧结或发泡陶瓷浇筑铝基材料等方式制造。但纯陶瓷防护材料较脆且难以加工，难以很好地适应核电机组使用环境。而发泡陶瓷由于制备工艺的限制，其结构与形状具有随机性，陶瓷与铝基体很难分布均匀，且可能存在闭口孔洞等缺陷，导致防护效果不佳。而本发明使用数字化设计及增材制造一体化成形的基体，外部安装结构与内部多孔结构均可实现定制化，且增材制造成形的基体三维方向连续，具有极高的力学性能。

(2)提高防护效果：由于纯碳化硼陶瓷较脆，且传统加工方法难以加工出贴合被防护结构外形的防护装置，近年有学者研究使用碳化硼陶瓷粉末与铝合金粉末混合后使用增材制造直接成形的方法。但该方法在碳化硼粉末含量较高时容易造成开裂，从而限制了其防护效果。本发明通过数字化设计的梯度多孔结构4，其三维方向梯度渐变，相互连通，防护材料具有更好的填充性。此外，本发明防护材料为树脂与碳化硼粉末的混合物或者是铅液，碳化硼粉末可以具有更高的含量，树脂材料也具有吸收中子的作用。因此，本发明能在提高防护结构力学性能的同时，极大地提高了防护效果。同时，采用分子-微纳米粒子-宏观尺寸的多尺度协同增强，采用无机-有机杂化辐射防护功能分子和微纳米增强粒子的杂化混合液浇筑，既可以实现光子、中子同时防护，另外也可以更具入射射线类型和能量，做到精确控制浇筑层。

(3)防护材料与基体材料分布更合理：内部梯度多孔结构4在可以根据防护装置不同部位所需要的防护等级与受力情况，设计出具有不同孔隙率的多孔结构，并通过梯度变化的方式相连。防护装置孔隙率大的部位填充材料多，中子吸收能力更强；防护装置孔隙率小的部位基体材料多，力学性能更好。即通过数字化设计的方式，调整不同部位基体材料与防护填充物5的比例，能够同时兼顾屏蔽效果与力学性能，实现防护装置的防护效果与使用寿命最大化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。