聚乙稀醇膜材料氚衰变辐照效应研究

发布时间：2020-06-04 06:32

【摘要】：惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)物理实验中塑料微球靶丸,普遍采用了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,简称PVA)作为氘氚气体阻气层材料。在塑料微球充氘氚燃料气实验及氘氚燃料靶的测量、保存、运输、打靶过程中,氚衰变辐照将导致PVA材料微观结构与宏观性能发生较大变化,对氘氚塑料微球靶从充气到打靶整个实验过程均会造成不同程度的不利影响。针对这些不利影响采取相应质量控制和辐射安全防护措施,需要开展系统性的PVA材料氚衰变辐照效应研究,探索其辐照损伤机理并掌握其影响规律。目前国内只有极少的采用电子束模拟氚衰变β射线与PVA材料相互作用的研究报道,还没有比较全面系统性的氚直接与PVA材料相互作用的实验研究,国外的氘直接与PVA材料的辐照效应研究也很少见诸报道。本论文开展了不同辐照温度、辐照时间、辐照强度条件下氚衰变辐照PVA膜材料的同位素交换、渗透系数影响、微观结构与宏观性能变化的系统性实验研究,获得的主要研究结果如下：(1)氚衰变β射线辐照,能有效地激发诱导PVA聚合物材料中H与T的同位素交换反应。通过摩尔比1：1的氘氚气体浸泡PVA薄膜材料的方式,氚衰变β射线辐照导致的PVA聚合物材料中的氢同位素交换反应,主要为C-H键被取代为C-T键,而无明显的C-D键取代；醇羟基-OH基团,因密集的强烈氢键作用而未发生同位素取代反应。(2)在相同辐照强度与辐照时间下,PVA薄膜样品进行不同温度(30℃～60℃)的辐照实验,表明：随着辐照温度的升高,C-T取代峰的强度随之线性增大,且转变为C-T的C-H键数量从5.4%线性增加至12.2%；氚衰变β射线辐照PVA聚合物的C-T同位素取代反应的活化能EC-T为22.57kJ/mol,且C-T键平均取代速率随氘氚气体温度升高而增加：C-H键总量的0.046%·d-1—C-1。(3)在相同辐照强度与辐照温度下,PVA薄膜样品进行不同时间(10d-30d)的辐照实验,表明：随着辐照时间的延长,C-T取代峰的强度随之线性增大,且转变为C-T的C-H键数量从8.1%线性增加至12.5%;PVA聚合物材料中C-T同位素取代速率为：C-H键总量的0.219%·d-1。(4)在相同辐照温度与辐照时间下,PVA薄膜样品进行不同强度(氘氚气体压力0.2MPa-0.9MPa)的辐照实验,表明：随着辐照强度的升高,C-T取代峰的强度随之线性增大,且转变为C-T的C-H键数量从1.4%线性增加至5.0%；PVA聚合物材料中C-T同位素取代速率为：C-H键总量的0.330%·d-1·MPa-1。(5)氚衰变辐照PVA聚合物材料,辐照时间从10d延长至30d,被辐照损伤的醇羟基OH从11.13%线性增加至16.93%,醇羟基OH辐照损伤速率为：醇羟基OH键总量的0.302%/d；辐照温度从30℃升高至60℃,被辐照损伤的醇羟基OH从14.14%指数增加至43.25%；辐照氘氚气体压力从0.2MPa增加至0.9MPa,被辐照损伤的醇羟基OH从4.94%线性增加至18.24%。(6)氚衰变辐照PVA聚合物材料的辐照效应以聚合物分子骨架链的断裂降解反应为主,实验测得了氚衰变辐照前后PVA薄膜样品的分子量,重均平均分子量随氚衰变辐照强度的增加从148600逐步减小至21000;分子量分布多分散系数(Mw/Mn)随氚衰变辐照强度线性增加,从1.35线性增大至2.05,辐照裂解反应导致的小分子量聚合物分子比例线性增加。(7)辐照温度25℃、辐照时间10d、辐照气体压力0.6MPa的氚衰变辐照PVA薄膜样品,在200℃～65℃温度进行氘气渗透,其渗透系数随温度从1.01×10-18mol·m/m2·s·Pa(20℃)呈指数增加至3.6×10-17 mol·m/m2·s·Pa (65℃),比LLNL的J. J. Sanchen等人测试的相近分子量PVA薄膜25℃的氘气渗透系数提高了约一个数量级,比其DT气体渗透系数略高；实验获得了氘气渗透活化能74.25kJ/mol,与LANL的Dean H. W.等人测试的未经过氚辐照的PVA聚合物渗透活化能40.72kJ/mol(25℃～85℃低温区间)相比有较大增加。实验表明,随着氚衰变辐照对PVA聚合物材料中醇羟基-OH的辐照损伤、PVA聚合物分子骨架链的辐照断裂降解,使得PVA聚合物的氢同位素气体渗透活化能增大,渗透系数快速增加,阻气性能迅速变差。(8)PVA薄膜材料是一种多羟基聚合物,具有典型的平面锯齿型分子主链构象,有很高的拉伸延展性；随着氚衰变辐照效应的逐步增强,PVA薄膜材料表面的锯齿型构象形貌逐渐消失,薄膜表面越来越光滑平整。相同辐照温度(25℃)与辐照时间(15d)条件下制备的不同强度(氘氚气体压力0.2MPa～0.9MPa)辐照的PVA薄膜样品,伸长率随氚衰变辐照强度的增加线性降低,从245.6%(氚衰变辐照前的PVA薄膜)线性减小至仅5.3%(辐照氘氚气体压力0.9MPa)；相同辐照强度(氘氚气体压力0.6MPa)与辐照时间(5d)条件下制备的不同温度(30℃～60℃)辐照PVA薄膜样品,伸长率随氚衰变辐照温度的增加线性降低,从121.0%(辐照温度30-C)线性减小至65.4%(辐照温度60℃)；相同辐照强度(氘氚气体压力0.6MPa)与辐照温度(25℃)条件下制备的不同时间(10d-30d)辐照PVA薄膜样品,伸长率随氚衰变辐照时间的增加线性降低,从163.8%(辐照时间10d)线性减小至32.7%(辐照时间30d)。基于上述实验研究结果,探索了不同辐照温度、辐照时间、辐照强度对PVA聚合物材料的氢同位素交换、醇羟基辐照损伤、分子量及其分布、渗透系数变化、表面形貌及拉伸率等微观结构与宏观性能影响的规律,对PVA聚合物材料的氚辐照效应有了较系统的科学认识,获得了一些有意义的结论。本论文开展了较全面系统性的PVA聚合物材料氚衰变辐照效应研究,探索了氚衰变辐照对PVA聚合物微观结构与宏观性能的辐照损伤机理及影响规律,获得了较充分的关键实验数据,为塑料微球充氘氚燃料气工艺研究及氘氚塑料靶丸在测量、保存、运输、打靶过程中的靶质量控制和辐射安全防护措施提供了必要的数据基础与支撑。
【图文】：

聚合物中分子键的键能一般只有几个ｅＶ，l#衰变Ｐ射线的能量比破坏化学量高约１０００倍Ｐｕｓｉ，将导致有机聚合物分子发生键断裂、交联、降解等福２］，，使塑料微球靴球壳的强度、耐温及承压能力降低，氨同位素气体渗透系数燃料微球祀的保气半寿命大大缩短等不利影响ｔｗ。

本文编号：2696016