一种乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料及其制备方法， 其属于乏燃料储存用中子屏蔽复合材料的制备技术领域。
【背景技术】：
[0002] 我国在2014年《能源发展规划》中提出利用新能源，突出了国家对环境治理的重 视，清洁能源特别是核能的利用受到越来越多的关注与推广。虽然核裂变可以利用少量的 核燃料产生大量的电力，但其裂变所产生的乏燃料会产生中子、Y射线、二次Y射线及其它 带电粒子和高能射线，其衰变周期一般为上万年至十万年，所以必须进行合理地处置与储 存。当前乏燃料储存的方式主要有三种:①短期贮存，也称为"湿法"贮存，即将乏燃料存放 于核电站内水池的格架上，存放时间为2~3年，主要目的是用来降低乏燃料的温度，使其降 低到一定温度后再向中期贮存进行转换，短期贮存带有一定的风险性，比如日本的福岛事 件，核废水对环境和群众的生命安全产生极大的影响，故一般以临时储存较为适宜;②中期 贮存，也称为干式贮存，其中以容器贮存的应用较广泛，干式贮存容器兼有贮存和运输乏燃 料的功能。为了增加乏燃料设施的贮存容量，同时确保在密集贮存中乏燃料阵列有足够的 安全裕量，以防止可能出现的意外事件，常在乏燃料贮存水池格架和贮运容器中设置固态 中子吸收材料;③永久贮存，将核废料和玻璃或者混凝土固化后深埋于地下层，直到其衰变 结束，时间持续上万年，目前各国正在进行这种方案的可行性研究。
[0003] 中子吸收材料一般是由具有较大中子吸收截面的元素和基体材料制成，目前核工 业中常用的中子吸收元素有8、6(1工 (1和3?，其中8因其相对低廉的价格在核中子吸收材料领 域运用最为广泛，起屏蔽作用的是丰度为20 %的B-10核素，热中子截面系数为3837barns。 当前含硼的中子吸收材料有硼不锈钢、B4C/A1中子吸收材料、硼铝合金、含硼有机聚合物、 含镉、钆中子吸收材料等。
[0004] 相对来说我国在乏燃料干式贮存方面的研究起步较晚，大部分均处于试验阶段。 目前我国核电站的乏燃料湿式贮存池已接近饱和，现如今我国只有秦山第三核电厂建设了 干式贮存系统，上海交通大学赵慧研究了秦山第三核电厂厂址建造乏燃料干式中间贮存设 施的可行性分析，确定采用加拿大原子能有限公司(AECL)设计的MACST0R400(Modular Air Cooled Storage)设施作为秦山第三核电厂乏燃料干式中间存装备，目前秦山三核乏燃 料干式贮存设施第二批(3、4号)模块已顺利通过建安工程竣工验收，为后续开展调试和装 机试运行打下了良好基础，所以研发出具有自主知识产权、中子屏蔽性能优秀的乏燃料中 子屏蔽材料显得至关重要。
【发明内容】
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[0005] 本发明提供一种乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料及其制备方法， 其制备工艺简单、成型性佳、中子屏蔽效果好、耐冲击性强等特点。
[0006] 本发明采用如下技术方案：一种乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材 料，包括AA6061铝合金板、碳化硼增强PMR型聚酰亚胺复合材料以及碳纤维增强聚酰亚胺复 合材料，其中所述碳纤维增强聚酰亚胺复合材料由碳纤维与聚酰亚胺经过排布机制备而 成，碳化硼增强PMR型聚酰亚胺复合材料由碳化硼粉末与PMR型聚酰亚胺超声混合制备而 成。
[0007] 进一步地，所述碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的平均厚度为0.125mm。
[0008] 进一步地，碳化硼增强PMR型聚酰亚胺复合材料中PMR型聚酰亚胺为100重量份，碳 化硼粉体为10~50重量份。
[0009] 进一步地，乏燃料储存用中子屏蔽复合材料中还添加有阻燃剂，所述阻燃剂为氢 氧化铝。
[0010] 进一步地，乏燃料储存用中子屏蔽复合材料中还添加有二硼化锆。
[0011] 本发明还采用如下技术方案:一种乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材 料的制备方法，包括如下步骤：
[0012] (1)首先在室温条件下对AA6061铝合金板进行阳极氧化，处理工艺如下：①碱洗： 配置浓度分别为25~30g/L NaOH和Na2C03溶液，温度：70~80°C，0.5~lmin，开水;②酸洗： 配置浓度为300~500g/L HN〇3溶液，2~5min，蒸馏水;③最后采用浓度为130~150g/L的 H3P〇4溶液进行阳极氧化，温度:25 °C，电压：10V，时间：20min;
[0013] ⑵配置l〇wt %~50wt %浓度的B4C/PMR混合悬浊液，超声搅拌均匀后置入烘箱加 热以挥发出大部分溶剂，玻棒搅拌获得分散均匀的悬浊液；
[0014] (3)将配置好的混合悬浊液均匀喷涂于阳极氧化后的AA6061铝合金板上，并使用 烘箱烘干，然后在其表面铺设预制好的碳纤维预浸料，铺层结构选择为3/2、4/3和5/4结构；
[0015] (4)将制备好的不同结构的中子屏蔽超混杂层板复合材料置入硫化机中进行热模 压成型，温度区间选择：80 °C，lh; 120 °C，lh; 150 °C，lh; 200 °C，lh; 280 °C，30min; 320 °C，2h; 热丰旲压加工完成后，随硫化机空冷；
[0016] (5)最后对中子屏蔽超混杂层板复合材料进行中子屏蔽性能检测，检测辐照前后 中子屏蔽超混杂层板复合材料的力学性能。
[0017] 本发明具有如下有益效果:通过对乏燃料储存用中子屏蔽超混杂层板复合材料进 行力学性能及中子屏蔽性能测试，中子屏蔽超混杂层板复合材料的力学性能优于同类产 品，可以在保证屏蔽效果的前提下减小复合材料壁厚，降低其密度。该中子屏蔽超混杂层板 复合材料还可以根据仪器或设备的要求设计出不同曲率、不同结构的样品，应用于中子衍 射谱仪等探测仪器或探测机器人表面，以降低辐射对其损伤，提高探测效率。
【附图说明】：
[0018] 图1为本发明中阳极氧化实验原理图。
[0019] 图2为3/2结构的乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料。
[0020] 图3为4/3结构的乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料。
[0021] 图4为5/4结构的乏燃料储存用新型中子屏蔽超混杂层板复合材料。
[0022] 图5为中子屏蔽超混杂层板复合材料的制备工艺流程图。
[0023] 图6为中子屏蔽测试实验装置示意图。
【具体实施方式】：
[0024]本发明乏燃料储存用中子屏蔽超混杂层板复合材料主要构成包括AA6061铝合金 板、碳化硼增强PMR型聚酰亚胺复合材料以及碳纤维增强聚酰亚胺复合材料。其中碳纤维增 强聚酰亚胺复合材料由碳纤维与聚酰亚胺经过排布机制备而成，平均厚度为0.125mm，碳化 硼增强PMR型聚酰亚胺复合材料由碳化硼粉末与PMR型聚酰亚胺混合制备而成。
[0025]本发明采用具有耐辐射性能的PMR型聚酰亚胺(KH-308)作为基材，添加有较大热 中子吸收截面的碳化硼颗粒，以有效增加屏蔽材料的1()B面密度，从而使屏蔽效率呈指数升 高，最终实现上述效果，尤其是提高中子屏蔽超混杂层板复合材料的制备效率与力学性能， 延长中子屏蔽材料的使用寿命。此外，中子屏蔽超混杂层板复合材料可以加工出不同形状 和结构特征的乏燃料储存格架，制备完后待用。
[0026]作为本发明的进一步改进：
[0027] 中子屏蔽复合材料的组分构成如下： PMR型聚酰亚胺（KH-308) 100重量份 碳化硼粉体 10~50重量份
[0028] 碳纤维铺层 双层单向铺设 AA6061铝合金板 裉据铺设结构调整
[0029]由于PMR型聚酰亚胺(KH-308)树脂可以在300 °C下长期使用，在聚合物中耐高温性 能较为优异，而且KH-308具有良好的介电性能，并在宽广的温度和频率范围内保持稳定，同 时KH-308具有非常优越的耐辐照性能，作为基材其性能远远优于超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)。
[0030] 本发明中中子屏蔽超混杂层板复合材料可以分为3/2、4/3和5/4等几种不同类型 的结构，并可按相似结构类型进行多层铺设
[0031] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH3a8) 100质量份 碳化硼 10质量份
[0032] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 3/2结构
[0033] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含：
[0034] PMR型聚酰亚胺（KH308) 100质量份 :碳化硼 20质量份
[0035] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 3/2结构
[0036] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH308) 100质量份 碳化硼 30质量份
[0037] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 3/2结构
[0038] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH308) 100质量份 碳化硼 40质量份_
[0039] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 3/2结构
[0040] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH308) 100质量份 碳化硼 50质量份
[0041] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 3/2结构
[0042] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH308) 〗00质量份 碳化硼 50质量份
[0043] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 4/3结构
[0044] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实验方案中，其中所述的中子屏蔽 超混杂层板复合材料包含： PMR型聚酰亚胺（KH308) 10:0质量份 碳化硼 50质量份
[0045] 碳纤维铺层 双层单向铺设 铺层结构 5/4结构
[0046] 在本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的一个实施方案中，还可以添加阻燃剂， 其非限制性的例子是氢氧化铝，也可以其他类型的填料，比如二硼化锆，用来提高中子屏蔽 超混杂层板复合材料的导热性能，扩大其应用范围。
[0047]本发明中子屏蔽超混杂层板复合材料的制备步骤如下：
[0048] (1)首先在室温条件下对AA6061铝合金薄板进行阳极氧化，处理工艺如下：①碱 洗:配置浓度分别为25~30g/L NaOH和Na2C03溶液，温度：70~80°C，0.5~lmin，开水;②酸 洗:配置浓度为300~500g/L HN〇3溶液，2~5min，蒸馏水;③最后采用浓度为130~150g/L 的H3P〇4溶液进行阳极氧化，温度:25 °C，电压：10V，时间：20min，阳极氧化实验原理图如图1 所示。
[0049] (2)配置1 Owt %~50wt %等多种浓度的B4C/PMR混合悬浊液，搅拌均匀后置入烘箱 加热以挥发出大部分溶剂，玻棒搅拌获得分散均匀的粘稠液；
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