镍基泡沫金属中子屏蔽复合材料的设计与制备

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，6cm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。

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