[发明专利]一种高磁性耐磨损的散裂靶靶球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高磁性耐磨损的散裂靶靶球及其制备方法。本发明高磁性耐磨损散裂靶靶球，由球芯和由内至外依次包覆在球芯外的磁性层、过渡层和耐磨层构成；球芯为钨镍铁合金球或铍球。本发明制备方法，包括如下步骤：在球芯外依次包覆磁性层、过渡层和耐磨层，即可得到高磁性耐磨损散裂靶靶球。本发明新型的靶球结构设计，其磁性及耐磨性都得到了大幅提高，相应的靶球提升流量以及靶球的使用寿命也将大大提升，同时减少了粉尘的产生量。本发明制备方法中，利用粉末包覆烧结法制备表面高磁性涂层，其综合性能更好，表面的钨与镍铁组织具有非常好的润湿性，高温热处理后可在界面处实现冶金结合，结合力高，涂层不易脱落。

技术领域

本发明涉及核能系统中的散裂靶材料技术领域，尤其涉及一种颗粒散裂靶材料。

背景技术

长寿命核废料的安全处理处置是影响核电持续发展的瓶颈。加速器驱动次临界反应系统利用散裂中子嬗变核废料，大幅降低核废料放射性寿命，具有安全性高和嬗变能力强等特点，是安全处理核废料的最佳手段之一。为深入研究核废料嬗变过程中的科学问题，突破系列核心关键技术，建设核废料嬗变原理实验研究装置，2015年12月，加速器驱动嬗变研究装置(China Initiative Accelerator Driven System，简称CiADS)由国家发改委批准立项。该设施建成后，将满足我国长寿命高放核反应堆废料安全、妥善处理处置的研究需求，为我国核能可持续发展提供技术支撑；将有力推进未来ADS向工业化方向的发展。其中，重金属散裂靶是一种高功率的散裂中子源，是ADS系统中非常关键的组成部分，主要功能是产生高能中子并将质子束轰击靶材料产生的热量快速移除。

目前，CiADS高功率散裂靶应用了原创性的设计方案——颗粒流散裂靶，它是一种由大量的金属小球组成的流化固体靶，中子学性能好，与结构材料兼容性好，可在重力诱导下连续流动。该方案融合了固态靶和液态靶的优点，通过固体小球的流动实现了靶区外的冷却，规避了液态铅铋合金靶放射产物毒害性高、温度-材料腐蚀效应严重、普通流体的流体力学不稳定性以及固态靶热移除难等缺点，物理上具有承受几十兆瓦束流功率的可行性。

根据CiADS的运行工况，靶材料必须满足下述要求：中子产额要高、机械性能优异、具有高的耐磨性、耐力学冲击和热冲击的疲劳性、以及好的磁学性能等，此外，由于靶材用量大，还必须考虑靶材的经济性。在相关大量实验及计算的基础上，综合考虑各种因素，从经济性、性能评估，以及具体的服役环境等因素综合考虑，目前提出的主要候选靶材料为钨镍铁合金球(专利申请号:201811654310.X)或铍球。

但是，候选靶材料仍然存在很多问题。一方面，由于散裂靶设计采用了磁力提升，对于靶球磁学性能有较高的要求，特别是高温下的磁性，对于钨镍铁合金球，由于钨的密度高，磁性相对太低，难以达到CiADS的提升要求；而对于铍球，本身没有磁性，必须要特殊处理，使其具备磁性；另一方面，散裂靶需要长时间运行，面临强烈的摩擦磨损，容易产生大量粉尘，增加放射性废物管控的难度，因此，必须尽可能增加靶球耐磨性减少放射性粉尘的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种高磁性耐磨损的散裂靶靶球及其制备方法，通过在靶球的外围包覆不同的功能涂层，得到高磁性耐磨损的散裂靶靶球。

本发明提供的一种高磁性耐磨损散裂靶靶球，它由球芯和由内至外依次包覆在所述球芯外的磁性层、过渡层和耐磨层构成；所述球芯为钨镍铁合金球或铍球。

上述的高磁性耐磨损散裂靶靶球中，所述磁性层由Nd、Fe、Ni、Co或它们的合金材料制成，具体可为FeNi合金材料，如FeNi质量比为7：3的FeNi合金材料。

上述的高磁性耐磨损散裂靶靶球中，所述耐磨层由硬度大于3000HV的超硬陶瓷材料制成；优选地，所述超硬陶瓷材料为钛铝氮、钛铝硅氮、氧化铝或氧化锆。

上述的高磁性耐磨损散裂靶靶球中，所述磁性层、所述过渡层和所述耐磨层的总厚度可为10～40μm，优选15～25μm，更优选17～25μm，如19μm，可根据实际要求进行调节。