论文部分内容阅读
随着我国核电产业建设的加快，如何处置反应堆乏燃料问题日益受到人们关注。到2020年，我国每年卸出的乏燃料将超过千吨。铝基碳化硼复合材料具有重量轻、高强度、熔点高、导热好、尺寸稳定、塑韧性好、热胀系数低、高温力学性能优异、良好的中子吸收能力、二次放射污染少等特点，是用于乏燃料的贮运、中子源的防护等方面的理想中子吸收和屏蔽材料。本文利用蒙特卡罗方法的MCNP应用软件在计算机上对中子吸收铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能进行模拟计算，在此基础上采用粉末冶金法制备B4C/Al复合材料，对该材料的力学性能、抗腐蚀耐辐照性能及屏蔽性能进行了测试。取得的主要结论如下：(1)对碳化硼、低密度B4C/Al复合材料和高密度B4C/Al复合材料进行屏蔽性能计算，发现材料对中子特别是热中子屏蔽效果良好，适合屏蔽能量在1MeV以下的中子，中子能量越大，材料屏蔽效果越差。屏蔽过程中存在‘反转’现象，‘反转’点能量值为0.5，0.8，1.2MeV。随着B4C含量的增加，材料屏蔽效果在热中子能区明显改善，在快中子能区改善不明显，材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系，且下降幅度较大。(2)对B4C含量5%-40%，中子能量200eV-20MeV，235U裂变源，材料厚度0.3-9cm，在空气、水、200-1400ppm硼酸溶液中进行铝基碳化硼材料的中子透射系数计算。结果表明，同厚度的铝基碳化硼材料的屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料；B4C/Al复合材料的透射系数随碳化硼含量和材料厚度的增加而减少，随中子能量的升高而增大，而硼酸浓度的改变对中子透射系数影响不大。B4C/Al复合材料在水中比硼酸中更能发挥其屏蔽效果，在空气中屏蔽特性显现出‘反转’现象，中子能量高于5MeV时透射系数几乎没有变化。在裂变源条件下的B4C/Al复合材料中子透射系数均比稳定源20MeV低。介质的中子屏蔽效果是硼酸溶液＞水＞空气，介质的中子透射系数与介质厚度呈指数下降关系，分别近似为e-0.71x和e-0.669x，x为厚度（cm）。(3)对采用粉末冶金法制备B4CP/Al复合材料的力学性能、耐辐照抗腐蚀性能和中子屏蔽性能及铁、铜的中子透射系数的研究结果表明：低温长时烧结有助于提高B4Cp/Al复合材料的机械性能。在有氧条件下，试样能产生增强相合金，最终提高材料机械性能。实验范围内γ辐照对材料机械性能几乎没有影响。腐蚀应力裂纹在腐蚀过程中产生。裂纹随着腐蚀时间的延长变宽，数量增多。硼酸溶液浓度的改变对B4Cp/Al复合材料的力学性能影响很小，随着浓度的升高，腐蚀强度增加但趋势不明显。腐蚀过程中未发现钝化现象。15%B4Cp/Al复合材料展现了良好的屏蔽性能，0.8cm厚度时，材料的中子透射系数为0.2左右。B4Cp/Al复合材料的B4C含量在15%-20%时屏蔽效果提高显著，等厚度条件下的屏蔽效果比铜、铁材料优异。