一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料

技术领域

本发明涉及辐射防护领域，特别涉及一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料，所述材料为可用于中子、γ射线的屏蔽防护，可在环境温度1200度以下长期使用。

背景技术

随着核科学的发展，电离辐射与人类的关系越来越密切，在核电和核技术提供现代文明的同时，电离辐射引发的健康问题越来越受到人们的重视。不同的场景对电离辐射屏蔽材料提出了不同的要求，需要针对使用环境开发特定的屏蔽材料。常温环境下电离辐射屏蔽对材料的要求主要从屏蔽效果、成本角度考虑，对于材料的机械性能、热稳定性要求较低。但对于特殊场合，对屏蔽材料除关注屏蔽性能外，还要求具备特定的功能，对于核能领域电离辐射屏蔽，由于反应堆内，核反应在产生大量中子的同时，也产生大量光子，屏蔽材料需要在高温、高辐射环境下减弱堆内中子、光子对堆外的电离辐射影响，对于紧凑型反应堆，还要求屏蔽材料具有高效率的屏蔽能力，能够在有限空间内达到屏蔽效果。

现有成熟的屏蔽材料包括硅酸盐水泥屏蔽材料、聚乙烯基屏蔽材料、金属基屏蔽材料。硅酸盐水泥广泛应用于核电站和医院的辐射屏蔽。硅酸盐水泥的优点在于成本低，施工方法成熟，且具有良好的力学性能，然而，硅酸盐水泥材料的主要缺点在于单位体积的屏蔽性能较低。目前已有许多研究通过加入硼化物、重金属和各种矿石的方式以改善硅酸盐水泥的屏蔽性能。聚乙烯基屏蔽材料的特点在于其密度较低，常用于航天器和便携式仪器的电离辐射屏蔽，但其屏蔽光子和重离子的性能较差，因此通常在其内部混入金属元素，如铅硼聚乙烯，钨硼聚乙烯，以提高其屏蔽光子和重离子的性能。然而，聚乙烯基屏蔽材料的普遍缺点在于热稳定性较差，其长期使用温度不超过150度。金属基复合材料通常以重金属及其氧化物为基底，其中钨基屏蔽材料具有高密度、高散射截面、优异的力学性能、低活化性能等优点，可用于极端环境下的辐射屏蔽，但钨元素其吸收中子截面并不出众，因此Windsor等人利用硼化钨做屏蔽材料(C.G.Windsor et al 2018Nucl.Fusion 58076014，Colin G.Windsor et al 2021 Nucl.Fusion 61 086018)，利用

发明内容

本发明所在解决的技术问题在于高温、高辐照环境下电离辐射屏蔽，为解决上述问题，本发明提供一种无毒、耐高温、耐腐蚀的中子、γ屏蔽能够应用于高温、高辐照环境下电离辐射屏蔽，屏蔽中子、光子混合辐射场。

本发明采用下列技术方案：

本发明提供一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料，所述一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料是按照包括如下步骤的方法制备的：按原料混合物总质量计，将1～20wt％氧化钆、15～30wt％不锈钢、50～80wt％碳化钨混合得到原料混合物，然后将所述原料混合物通过热压成型或热等静压方法成型。

进一步地，所述一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料是按照包括如下步骤的方法制备的：按原料混合物总质量计，将1～10wt％氧化钆、15～25wt％不锈钢、50～80wt％碳化钨混合得到原料混合物，然后将所述原料混合物通过热压成型或热等静压方法成型；其中，并且按原料混合物总质量计，氧化钆、不锈钢和碳化钨质量百分数之和为100wt％。

进一步地，按照按原料混合物总质量计，氧化钆的含量为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％、10.5wt％、11wt％、11.5wt％、12wt％、12.5wt％、13wt％、13.5wt％、14wt％、14.5wt％、15wt％、15.5wt％、16wt％、16.5wt％、17wt％、17.5wt％、18wt％、18.5wt％、19wt％、20wt％。

进一步地，按照按原料混合物总质量计，不锈钢的含量为15wt％、15.5wt％、16wt％、16.5wt％、17wt％、17.5wt％、18wt％、18.5wt％、19wt％、20wt％、20.5wt％、21wt％、21.5wt％、22wt％、22.5wt％、23wt％、23.5wt％、24wt％、24.5wt％、25wt％、25.5wt％、26wt％、26.5wt％、27wt％、27.5wt％、28wt％、28.5wt％、29wt％、29.5wt％或30wt％。

进一步地，按照按原料混合物总质量计，碳化钨的含量为50wt％、51wt％、52wt％、53wt％、54wt％、55wt％、56wt％、57wt％、58wt％、59wt％、60wt％、61wt％、62wt％、63wt％、64wt％、65wt％、66wt％、67wt％、68wt％、69wt％、70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、74wt％、75wt％、76wt％、77wt％、78wt％、79wt％或80wt％。

进一步地，所述耐高温的中子和光子复合屏蔽材料可在环境温度1200度以下长期使用。

进一步地，所述耐高温的中子和光子复合屏蔽材料密度为7.0～13.2g/cm

进一步地，所述的氧化钆为粉末状态，粒径为100-500目；钆质量百分比在75～90wt％，氧的质量百分比9～23wt％，杂质元素质量百分比总和小于1％。

进一步地，所述的不锈钢为粉末状态，为马氏体不锈钢粉或铁素体不锈钢粉，粒径为50-200目；铬质量百分比为8～18wt％，碳质量百分比小于0.03wt％，氧质量百分比小于0.3wt％。

进一步地，所述的碳化钨为粉末状态，粒径为100-500目；五种杂质元素Sn、Ni、Cu、Mg、Ba质量百分比总和小于0.5％。

进一步地，所述的热等静压方法成型的温度1000-1800℃，压力为60-110MPa，保温保压时间为15-40分钟。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

本发明提供的新型中子和光子复合屏蔽材料，相比于钨硼聚乙烯、铅硼聚乙烯材料，具有耐高温、密度高的优点，可在环境温度1200度以下长期使用，且密度为7.0～13.2g/cm3，单位体积材料的屏蔽效果更佳；

本发明提供的新型中子和光子复合屏蔽材料含有钆，对中低能中子具有较高俘获截面；含钨量高，对高能的中子慢化和俘获效果好、对二次光子屏蔽能力好，总体能满足中子、γ混合辐射场的屏蔽要求。

附图说明

图1展示了用于测试材料屏蔽性能的中子能谱。

图2展示了本发明实施例1研发材料和现有技术的硅酸盐水泥、316L不锈钢对于图1中子能谱的屏蔽效果。

具体实施方式

下述对本发明提供的一种新型中子和光子复合屏蔽材料进行说明。

实施例1本发明提供的一种新型中子和光子复合屏蔽材料，制备方法包括如下步骤：

(1)称取如下原料：按以下原料总质量计，5.5wt％氧化钆(南京细诺化工科技有限公司，纯度99.9％，400目粒径，钆质量百分比87～88wt％，氧的质量百分比12～13wt％，杂质Tb4O7、Y2O3、Eu2O3、Dy2O3，Sm2O3总含量为0.1wt％)，22wt％不锈钢(南宫市盈泰金属材料有限公司，316L，粒径为180目，铬质量百分比为17wt％，碳质量百分比为0.02wt％，氧质量百分比0.2wt％，镍质量百分比为14wt％，钼质量百分比为2wt％，硅质量百分比为0.8wt％，碳质量百分比为0.02wt％，磷质量百分比为0.03wt％，硫质量百分比为0.02wt％，Fe质量百分比为65.9％)，72.5wt％碳化钨(南宫市盈泰金属材料有限公司，纯度99.9％，300目粒径，Sn、Ni、Cu、Mg、Ba质量百分比总和0.1wt％)

(2)采用混匀机对上述原料进行混匀，然后将混匀后粉末进行预热处理，预热温度为500摄氏度

(3)对预热后混匀粉进行热等静压处理(HIP-200设备，中国科学研究院金属研究所)，温度1200摄氏度，压力150Mpa，保温保压持续时间180min，而后自然冷却，成型后材料的密度为11.2g/cm

一次成型的规格尺寸为200mm×200mm×100mm。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明提供的一种耐高温的中子和光子复合屏蔽材料，将1～10wt％氧化钆、15～25wt％不锈钢、50～80wt％碳化钨混合得到原料混合物，然后将所述原料混合物通过热压成型或热等静压方法成型，获得一种新型中子和光子复合屏蔽材料。相比于钨硼聚乙烯、铅硼聚乙烯，该发明提供的一种新型中子和光子复合屏蔽材料耐热性能好，可有效提高材料的使用温度；相比于硅酸盐水泥屏蔽材料，具有吸收截面大、中子慢化效率高，从而使本发明的单位体积的材料具有更高的核辐射屏蔽效率。为充分展示说明本发明研制材料屏蔽材料性能，将研制材料与常用屏蔽材料进行比较。采用质子加速器作为中子源项，中子能谱如图1所示，测试材料的屏蔽效果。除本发明研发的材料外，选用硅酸盐水泥(无锡市江淮建材科技有限公司PII-42.5)、316L不锈钢(无锡市中兴溢德不锈钢有限公司)做为对照，测量不同材料的对图1中子能谱的屏蔽效果。

图2比较结果说明本发明研制材料相对于硅酸盐水泥和316L不锈钢，展现出来良好的屏蔽性能。对于图1的中子能谱，经过100cm厚度的硅酸盐水泥、316L不锈钢和本发明研发材料，剂量分别下降到初始剂量的2.2％、1.6％，0.01％。相较于传统的屏蔽材料，本发明提供屏蔽材料展现出良好的屏蔽效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的权利要求范围内。