[发明专利]一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料

说明书

技术领域

本发明属于辐射防护与核安全技术领域，应用于同位素中子源，核反应堆等中子放射源或中子伽玛复合放射源的防护领域，具体是指一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料。

背景技术

同位素中子源与反应堆使用过程中均会释放出中子射线，中子射线的防护一般选取含氢量高，中子吸收截面大的材料屏蔽，常用的中子屏蔽材料为聚乙烯、硼聚乙烯、铅硼聚乙烯、混凝土材料、硼铝、硼钢等。聚乙烯、硼聚乙烯、铅硼聚乙烯含氢量高，中子屏蔽效果好，但其软化温度较低，最高使用温度不超过80℃，混凝土材料对中子与伽玛射线均具有一定的屏蔽效果，但其屏蔽效率较低。硼铸钢、硼不锈钢、硼铝等材料使用温度较高，对热中子吸收效果好，但材料中无中子慢化组分，对中能中子与快中子屏蔽能力差，而对于大多数屏蔽工程来说，中能中子与快中子是屏蔽的难点，也是需要重点防护的对象。最新研制的环氧树脂基屏蔽材料最高使用温度不超过160℃。《Development of 300℃heat resistant boron-loaded resin for neutron shielding》所描述的中子屏蔽材料耐热温度可达300℃，但仍处于实验室研制阶段，且当材料加热到200℃有NH₃、CO₂、H₂O等气体放出，存在热老化问题，其长期使用温度仍待近一步测试。

有机屏蔽材料在高温与辐照环境下使用时，不可避免的面临辐照老化与热老化的问题。随着服役时间的增加，高分子材料会不断分解，分子链断裂，力学强度下降，最终会失去强度而不能使用。目前船用反应堆的屏蔽设计对中子屏蔽材料的使用温度提出了更高的要求，如反应堆金属保温层后的第一层中子屏蔽材料使用温度高达200℃以上，目前无材料可用。

基于此，研究并开发设计一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种耐高温耐辐照中子屏蔽材料，以无机胶凝材料、屏蔽功能组分为主要组分，长期使用温度可达到230℃，氢含量>0.05g/cm³，解决了传统有机屏蔽材料在服役中所面临的辐照老化与热老化问题以及在高温环境下无中子屏蔽材料可用的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种耐高温耐辐照无机屏蔽材料，包括无机胶凝材料、屏蔽功能组分，屏蔽功能组分为氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分中的任意一种或大于等于两种以上组分的组合。

本技术方案中以无机胶凝材料为主要成分，具有粘结作用、中子慢化作用。无机胶凝材料可具体为铝酸盐水泥，铝酸盐水泥水化后的水化产物结晶水含量高，脱水温度高，力学强度高，中子慢化效果好，能与其他不与水泥反应的物质粘结在一起，并具有较高的强度。本技术方案所述的无机胶凝材料还可为硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，胶凝材料水玻璃，胶凝材料石灰，胶凝材料石膏等。

屏蔽功能组分中的氢氧化物，其单位体积氢含量高，成本低，脱水温度高，具有较好的中子慢化效果，氢氧化物优选化学性能稳定的氢氧化铝、氢氧化镁。

中子吸收组分，为中子吸收截面大的化合物或单质，如含钆或硼元素的中子吸收截面积大的化合物，能够有效吸收经慢化后的中子。当中子射入屏蔽材料时，先由无机胶凝材料的水化产物与氢氧化物慢化，再由中子吸收组分吸收，具有较高的中子屏蔽效率。该中子屏蔽材料可根据中子源项的能谱调节屏蔽材料中氢氧化物与中子吸收组分的比例，以达到最佳的屏蔽效率，节省屏蔽体的重量与体积。

伽玛射线屏蔽组分为含铁、铅、钨、钽、贫铀中任一元素的单质粉或化合物，主要用于伽玛射线复合屏蔽。

本技术方案中所述屏蔽材料的具体组合为：1)包括无机胶凝材料、氢氧化物；2)包括无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分；3)包括无机胶凝材料、氢氧化物、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分；4)包括无机胶凝材料、中子吸收组分；5)包括无机胶凝材料、中子吸收组分、伽玛射线屏蔽组分。