[发明专利]高氢高导热耐γ辐照中子屏蔽材料及其制备

说明书

本发明涉及中子屏蔽材料领域，具体涉及一种高氢高导热耐γ辐照中子屏蔽材料及其制备。该中子屏蔽材料包括基体部分和改性中子吸收剂部分，重量比为100:1‑5；基体部分由重量比为15‑100:15‑100:5‑50:0.1‑10:0.1‑10的热固性树脂、固化剂、导热改性剂、抗氧剂和稳定剂组成；改性中子吸收剂部分由重量比为1‑5:1‑5的硼化物和金属框架配合物组成。本发明通过将硼引入到金属框架结构，配合加入热固性树脂、导热改性剂、抗氧剂和稳定剂，有效提高了材料的导热系数、H元素的质量分数以及对γ射线的屏蔽作用，其中，H元素的质量分数为7.50％‑9.00％，导热系数为0.60‑0.90W/(m*K)，经γ辐照后拉伸强度提高了20％。

技术领域

本发明涉及中子屏蔽材料领域，具体涉及一种高氢高导热耐γ辐照中子屏蔽材料及其制备。

背景技术

乏燃料贮存一直是核电领域亟待解决的重大问题之一，目前大多核电业主单位采用的是湿法贮存工艺即采用含硼蓄水池贮存乏燃料，优点为一是水的氢(H)元素含量高，可快速将中子射线慢化从而能被硼(B)元素吸收；二是可以通过强制循环的方式进行快速散热。但是随时间的推移，一些建设较早的核电站已经没有足够的土地资源新建含硼蓄水池，并且原有已经进入半衰期的乏燃料转运的难度也极高。

CN108998790B、CN106978563B等专利以铝基碳化硼作为中子屏蔽材料，虽然能达到较好的导热性能以及结构强度，但是无法对中子进行慢化且B元素添加量有限，无法达到很好的中子屏蔽效果；有研究以硼基聚乙烯复合屏蔽材料为主体，这类材料对快中子的减速和慢中子的捕获具有良好的效果，但由于其耐热性较差且强度低，不适宜应用于有温度要求的工作环境；CN112961465A等专利对此提出了进一步的改进措施，以环氧树脂为主体的中子屏蔽材料提高了整体材料的耐热性能，使得最终合成的材料长期耐热温度能达到180℃，但是由于其导热系数较低，在乏燃料长期处于150℃的使用工况下，特殊工况下超过180℃，致其寿命极短，使用更换频繁，并不能完全满足使用要求。

为了解决以上问题，取代原有的贮存工艺需要研发一种新型中子屏蔽材料，该材料需同时需要满足以下几种要求：

1.高H元素质量分数

中子射线穿透力极强，需要通过H元素将快中子慢化成慢中子，再通过B元素吸收，所以材料中H的含量需达到一定的比例；

2.耐γ辐照

乏燃料衰变过程中，产生中子射线同时伴生X、γ和中子等射线，其中γ射线对材料中的高分子组份破坏极大，需要进行耐γ辐照改性；

3.高导热

中子屏蔽材料需要具备较高的导热系数，保证散热。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高氢高导热耐γ辐照中子屏蔽材料及其制备，通过将B引入到金属框架结构中，提高材料的导热系数、H元素的质量分数以及对γ射线的屏蔽作用，配合加入热固性树脂、导热改性剂、抗氧剂和稳定剂，进一步提高中子屏蔽材料H元素的质量分数、导热系数和耐γ辐照性能。

按照本发明的技术方案，所述高氢高导热耐γ辐照中子屏蔽材料包括基体部分和改性中子吸收剂部分，所述基体部分和所述改性中子吸收剂部分的重量比为100:1-10；其中：

优选的，所述基体部分由重量比为15-100:15-100:5-50:0.1-10:0.1-10的热固性树脂、固化剂、导热改性剂、抗氧剂和稳定剂组成；

优选的，所述改性中子吸收剂部分由重量比为1-5:1-5的硼化物和金属框架配合物组成。

优选的，所述热固性树脂选自双酚环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯、双马来酰胺、聚酰亚胺、氰酸酯、糠醇树脂和糠醛丙酮树脂中的一种或多种，H元素的质量分数大于6％。