新型柔性中子屏蔽复合材料研制及性能研究

为满足形状复杂核设备外围防护以及辐射防护服对于柔性中子屏蔽材料的需求,研制了一种新型B4C/SEBS中子屏蔽复合材料,重点研究了不同B4C含量对SEBS基复合材料力学性能、热学性能及中子屏蔽性能的影响。实验结果表明:复合材料拉伸强度、扯断伸长率均随着B4C含量的增加而减小;增加B4C含量,复合材料撕裂强度呈现出先增大后减小的趋势,而复合材料邵氏硬度则不断增大;该材料热导率随着B4C含量的增加而不断升高;利用镅-铍中子源进行材料中子屏蔽测试,同厚度材料中子屏蔽性能随着B4C含量的增加而不断提高。综合考虑该新型柔性中子屏蔽材料良好的中子屏蔽性能、抗撕裂性能及柔韧性能等特性,其在形状复杂核设备外围防护及辐射防护服领域具有较大的应用前景。     

碳纤维增强B_4C/Al中子吸收材料的优化设计

核电站中乏燃料储存格架用到的中子吸收材料需要兼具结构和功能一体化的要求,本文提出用碳纤维Cf增强B4C/Al中子吸收复合材料。利用Monte Carlo方法对碳纤维增强铝基碳化硼中子吸收材料(Cf/B4C/Al)的中子透射率进行模拟计算,研究B4C含量、Cf含量、不同能量中子入射以及材料厚度变化时对中子透射率的影响,并与B4C/Al材料进行比较。结果表明,在1 e V-0.1 Me V能量范围的中子入射下,当B4C含量小于35%时,加入碳纤维能明显改善B4C/Al材料的中子屏蔽性能;在100 e V中子入射下,材料的中子透射率随B4C含量增加呈现指数下降;且Cf/B4C/Al材料的中子透射率随碳纤维含量增加持续降低;当Cf含量达到10%时,材料中子透射率降至最低,之后趋于平稳。通过模拟计算,得到Cf/B4C/Al材料的各组分的最优配比为35 vol.%B4C和10 vol.%Cf。     

新型耐高温中子屏蔽复合材料的设计制备及性能研究

采用表面改性处理技术,制备了由环氧树脂、B₄C（或BN）和聚丙烯酸铅组成的新型耐高温中子屏蔽复合材料,重点研究了材料制备工艺及主要性能指标,利用蒙特卡罗程序MCNP对材料中子屏蔽性能进行了模拟计算,并与文献报道的屏蔽材料铅硼聚乙烯进行了比较。结果显示,由环氧树脂、B₄C和聚丙烯酸铅组成的复合材料各项力学性能良好,具有良好的耐高温性能,210 ℃烘烤7 h外观无明显变化。MCNP模拟计算表明,对于从热中子至10 MeV的中子,4 cm厚新材料的中子剂量穿透率和中子注量穿透率均优于文献报道的同等厚度的铅硼聚乙烯材料。Am-Be中子源屏蔽试验的实测数据和模拟计算数据表明,两者随屏蔽材料厚度的变化趋势几乎完全一致,两者的差异随屏蔽材料厚度的增加逐渐减小,在10.5 cm处仅1.34%。     

硼酸盐晶须增强聚乙烯复合材料及其热中子屏蔽性能研究

以硼酸镁(Mg2B2O5)和硼酸铝(Al4B2O9)晶须作为中子吸收体与高密度聚乙烯(HDPE)复合,制备了硼酸盐晶须/HDPE复合材料。讨论了影响材料力学性能及屏蔽性能的因素,并与常用的碳化硼(B4C)屏蔽材料进行了对比。实验结果表明:3种复合材料对热中子的屏蔽效果为B4CMg2B2O5Al4B2O9,复合材料对热中子的屏蔽率均随吸收体含量和材料厚度的增加而增大,当硼酸镁晶须/HDPE复合材料的厚度为15.76mm时,材料对热中子的屏蔽率可达86.58%。晶须/HDPE复合材料的拉伸强度随晶须含量的增加而增大,当硼酸镁晶须的含量为9.1%时,复合材料的拉伸强度可达24.39 MPa,和碳化硼/HDPE复合材料相比,硼酸盐晶须更能增强HDPE基屏蔽材料的力学性能。     

环氧树脂基耐高温中子屏蔽复合材料的研究

针对核电站内高放射性、高湿热、强腐蚀的恶劣物化环境,设计制作了一种新型耐高温环氧树脂基中子屏蔽复合材料。该材料以AFG90-H环氧树脂为基体,在42 k Gy辐照环境下,其玻璃化转变温度可达262oC,弯曲强度仅下降1.63%,中子屏蔽性能明显优于常见高密度聚乙烯(High density polyethylene,HDPE)、石蜡、6002环氧树脂(Epoxy resin,EP)等材料。加入B4C颗粒后,材料中子屏蔽性能和耐高温力学性能得到显著提升,且耐酸碱腐蚀性能保持不变。综合实验表明,该复合材料具有耐高温、耐辐射、耐酸碱腐蚀等优点,且密度小,适合作为移动式探测设备中子屏蔽防护层使用。     

中子与γ射线辐照对B4C/环氧树脂屏蔽材料性能的影响

中子与γ射线辐照对屏蔽材料性能的影响直接关系到了核设施的运行安全性。本研究以B4C/环氧树脂屏蔽材料作为研究对象,对比了在1 MGy γ射线及叠加1.19×1015cm-2中子辐照两种辐照环境下屏蔽材料力学性能、断口组织形貌、特征化学产物及热稳定性能的变化规律。结果表明：持续约11.6 d的γ射线辐照及叠加持续约3 h的中子辐照后屏蔽材料力学性能持续降低,但均未降低到辐照前的50%以下,屏蔽材料在此条件下产生了辐照降解,但未发生失效。与单独的γ射线辐照相比,叠加中子辐照后屏蔽材料1H-NMR图谱δ=7附近峰的强度没有明显变化,说明未继续发生苯环上C-H键的断裂。屏蔽材料热失重50%质量损失温度T50%由辐照前的526.3℃降低到了γ射线辐照后的453.2℃及γ射线叠加中子辐照后的463.9℃,屏蔽材料辐照后热稳定性降低。     

新型纤维增强环氧树脂基复合材料研制及其中子屏蔽性能研究

核技术应用产业的迅速发展,对中子辐射屏蔽材料的种类、服役环境、结构性能提出更多、更高要求。针对发展功能/结构一体化中子屏蔽材料需求,研制了一种新型玻璃纤维/B₄C/环氧树脂复合材料。力学测试与中子屏蔽实验发现,该复合材料中子屏蔽性能良好,5 cm厚样品屏蔽后中子透射率仅19.6%;材料具有较高强度与模量,性能优于铅硼聚乙烯。增大材料B₄C含量对提升材料中子屏蔽性能作用显著,但同时材料强度、模量有一定减小。综合考虑该材料的中子屏蔽性能、承受载荷以及耐高温特性,其在反应堆、加速器及中子源等核设施外围防护材料,尤其是乏燃料贮存格架材料用途上具有较大应用潜力。     

高密度B4C/Al中子屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法,运用MCNP4C程序对能量为0.5–2MeV的中子及碳化硼含量为5%–15%、入射厚度为3–15cm的高密度B4C/Al复合材料进行中子透射性能计算。结果表明:碳化硼含量与透射系数呈一次线性下降关系,且透射系数下降幅度较小;中子能量升高,透射系数呈现起伏性,比如0.8MeV的中子比0.5MeV的中子透射系数要小;材料对能量为0.5MeV、0.8MeV、和1.2MeV的中子屏蔽效果较好;材料厚度与透射系数呈指数下降关系,且透射系数下降幅度较大,当材料厚度在13cm以上时,材料的屏蔽性能在90%以上。     

Pb/B4C/BPR复合材料的线膨胀系数与力学性能

铅/碳化硼/硼酚醛树脂(Pb/B4C/BPR)是一种新型屏蔽复合材料，具有较好的耐高温性能，在辐射屏蔽领域有重要应用。本文系统研究了该复合材料中Pb粉添加量（体积分数）、Pb粉粒径、Pb粉表面处理(SiO₂包覆)对其线膨胀系数和力学性能的影响规律。结果表明：Pb粉添加量为36%、粒径为38 μm时，复合材料具有最小的线膨胀系数与优异的综合力学性能；Pb粉表面包覆适量的SiO₂可有效减小Pb粉颗粒和B₄C颗粒之间的密度差异，不仅显著降低了复合材料的线膨胀系数，还提高了其拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性，但Pb粉表面包覆过多SiO₂将导致复合材料的线膨胀系数增加，拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性降低。     

不同材料中子反射与屏蔽效应研究

利用Monte Carlo粒子输运计算程序Super MC对厚度1-5 cm的多种材料进行中子反射和屏蔽性能分析计算。这些材料包括金属材料铍、铅、铜、含硼钢以及~(238)U和非金属材料聚乙烯、氢化锂、混凝土,中子能段选取10~(-5) e V-20 MeV。结果显示,中子反射能力和屏蔽性能都会随着材料厚度而增加,但增加的幅度逐渐减小。铍和聚乙烯在中子反射和屏蔽方面性能优越,而常用来屏蔽γ射线的铅在这两方面性能都是8种材料中最差的。~(238)U只在材料厚度很小时性能卓著,随着材料厚度增加,其性能便远不如大部分材料。考虑到聚乙烯的力学性能较差,在屏蔽材料的选择上有很大的限制,所以在8种材料中,铍的综合性能相对较好。