镍基泡沫金属中子屏蔽复合材料的设计与制备

发布时间：2020-05-13 06:35

【摘要】：近年来,核能、核技术应用相关产业逐渐进入快速发展阶段,核辐射屏蔽对行业的生产安全性及经济性的重要影响受到广泛重视。随核能、核动力和核医疗等领域对于中子屏蔽材料的需求急剧增长。高性能的先进中子屏蔽材料的设计研发对提升核设施的运行效率与安全保障有重要的实际意义。本文研制了一种镍基泡沫金属中子屏蔽复合材料并对材料的设计、制备与性能展开了一系列研究工作。1)在蒙特卡罗软件中建立了镍基泡沫金属复合材料的几何模型,在镅铍中子源和某小型堆的顶部中子能谱条件下,讨论了孔隙度、填充材料和泡沫结构组成对于屏蔽性能的影响。结果表明:聚乙烯/泡沫金属复合材料上述两种能谱条件下,随着孔隙度的增加,中子屏蔽性能分别呈现增加和减小的趋势;不同能谱下次生γ剂量都呈现随着孔隙度先增加后减小的规律,随着孔隙度的增加,γ射线的屏蔽性能单调递减;填料中增加碳化硼后,中子剂量、γ剂量随着碳化硼的含量增加而递减,30%的碳化硼含量是较佳的选择;含30%碳化硼和泡沫镍孔隙率为0.89的镍基泡沫金属复合材料比非泡沫结构屏蔽性能大约提升了50%以上。2)分别用石蜡和聚乙烯填充泡沫镍,对两种复合材料的制备工艺进行了设计与研究。通过研究镀液使用时间对泡沫镍表面质量的影响,确定了添加剂补充周期为20小时;设计了高填充率石蜡与含硼石蜡泡沫镍复合材料的制备工艺;设计了改性聚乙烯与含硼改性聚乙烯泡沫镍复合材料的制备工艺,通过研究填充率与改性聚乙烯中聚乙烯含量的关系,确定了聚乙烯的质量分数为50%,并通过表面改性改善了碳化硼的分散性。3)针对两种体系的镍基泡沫金属复合材料进行了中子屏蔽性能、γ屏蔽性能、力学性能和导热性能的表征与分析。结果表明:在镅铍中子源条件下,6 cm厚的镍基泡沫金属复合材料的中子屏蔽性能高于填充材料5%以上,对于不同能量的γ源,屏蔽性能都优于相同厚度的填料;压缩试验表明,石蜡/泡沫镍的力学性能普遍大幅度优于石蜡或者泡沫镍,相较于泡沫镍抗压强度提升了30%;当泡沫镍孔隙度为0.89时,含硼改性聚乙烯/泡沫镍的抗压强度高于改性聚乙烯20%以上,泡沫镍孔隙率为0.96时,其力学性能和改性聚乙烯不相上下;所有镍基泡沫金属复合材料的能量吸收效率比聚乙烯都提升了30%以上;热流法测试结果表明复合材料的导热系数相比聚合物提升了2倍以上。本文的研究工作为新一代先进的小型、可移动式核设施的中子屏蔽材料的研制提供了重要的参考,也为下一步研发更高性能、可靠性更高、用途更广中子屏蔽材料奠定了技术基础。
【图文】：

曲线,弹性散射截面

镍基泡沫金属中子屏蔽复合材料的设计与制备21( )n A AB C M m 标系动能 EL与质心坐标系动能 EC间的关系式为A A1L CAM mE EM 发能为 EX=BN+EC，当激发能等于复核某一能级的能量时，就会发值，如图 1.1，C12弹性散射截面图。在一些原子序数较低的轻核能级间距在 0.1-1 MeV 之间），因此在 MeV 级能量时出现复核的间距比较宽，，所以共振也较宽。在原子序数较大，较重的核中导致共振峰无法分辨，同时多普勒展宽也导致共振峰发生重叠，内，截面随着能量变化的曲线变得很平滑。在弹性散射的过程并没有损失能量，但是在实验室坐标系中由于核的反冲，确实

示意图,核碰撞,过程,示意图

图 1.2 核碰撞过程示意图 A 值等于 1，因此中子在一次与氢原子的碰撞过程中就可能失截面很大，同时氢一次碰撞失去的能量相当大，因此氢原子常蔽材料中，例如常见的水、聚乙烯等中子屏蔽材料。散射后的能量在 E1和 rE1之间的分布是和中子散射分布角相eV 以下的中子，在质心坐标系中具有各向同性的散射角。对 0.1MeV 以下的中子，也具有各向同性的散射角。因此可以为 4 1minE 1 r E。散射以外，中子和物质相互作用还会发生非弹性散射，如图 1面图，当一个原子核和中子发生反应后可以处于一个激发态时生非弹性散射反应的。中子与核作用形成复合核可放出非弹中子与耙核作用，直接把一部分能传递给靶核，而中子继续前个过程中动能不守恒。原子核从激发态退激衰变会放出瞬发异能跃迁。假设21 30, 0,L M M的条件下可以在生非弹性散射的最小阈值：
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】