B4C-Al中子吸收復(fù)合材料的制備、性能測試與蒙特卡羅模擬.pdf

1、隨著我國核電產(chǎn)業(yè)建設(shè)的加快,如何處置反應(yīng)堆乏燃料問題日益受到人們關(guān)注。到2020年,我國每年卸出的乏燃料將超過千噸。鋁基碳化硼復(fù)合材料具有重量輕、高強(qiáng)度、熔點高、導(dǎo)熱好、尺寸穩(wěn)定、塑韌性好、熱脹系數(shù)低、高溫力學(xué)性能優(yōu)異、良好的中子吸收能力、二次放射污染少等特點,是用于乏燃料的貯運(yùn)、中子源的防護(hù)等方面的理想中子吸收和屏蔽材料。本文利用蒙特卡羅方法的 MCNP應(yīng)用軟件在計算機(jī)上對中子吸收鋁基碳化硼復(fù)合材料的屏蔽性能進(jìn)行模擬計算,在此基礎(chǔ)上采

2、用粉末冶金法制備B4C/Al復(fù)合材料,對該材料的力學(xué)性能、抗腐蝕耐輻照性能及屏蔽性能進(jìn)行了測試。取得的主要結(jié)論如下:
　　(1)對碳化硼、低密度B4C/Al復(fù)合材料和高密度B4C/Al復(fù)合材料進(jìn)行屏蔽性能計算,發(fā)現(xiàn)材料對中子特別是熱中子屏蔽效果良好,適合屏蔽能量在1MeV以下的中子,中子能量越大,材料屏蔽效果越差。屏蔽過程中存在‘反轉(zhuǎn)’現(xiàn)象,‘反轉(zhuǎn)’點能量值為0.5,0.8,1.2MeV。隨著B4C含量的增加,材料屏蔽效果在熱中子

3、能區(qū)明顯改善,在快中子能區(qū)改善不明顯,材料厚度與中子透射系數(shù)呈指數(shù)下降關(guān)系,且下降幅度較大。
　　(2)對B4C含量5％-40%,中子能量200eV-20MeV,235U裂變源,材料厚度0.3-9cm,在空氣、水、200-1400ppm硼酸溶液中進(jìn)行鋁基碳化硼材料的中子透射系數(shù)計算。結(jié)果表明,同厚度的鋁基碳化硼材料的屏蔽效果要大大優(yōu)于聚乙烯碳化硼材料;B4C/Al復(fù)合材料的透射系數(shù)隨碳化硼含量和材料厚度的增加而減少,隨中子能量的升

4、高而增大,而硼酸濃度的改變對中子透射系數(shù)影響不大。B4C/Al復(fù)合材料在水中比硼酸中更能發(fā)揮其屏蔽效果,在空氣中屏蔽特性顯現(xiàn)出‘反轉(zhuǎn)’現(xiàn)象,中子能量高于5MeV時透射系數(shù)幾乎沒有變化。在裂變源條件下的B4C/Al復(fù)合材料中子透射系數(shù)均比穩(wěn)定源20MeV低。介質(zhì)的中子屏蔽效果是硼酸溶液>水>空氣,介質(zhì)的中子透射系數(shù)與介質(zhì)厚度呈指數(shù)下降關(guān)系,分別近似為e-0.71x和e-0.669x,x為厚度(cm)。
　　(3)對采用粉末冶金法制備

5、B4CP/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐輻照抗腐蝕性能和中子屏蔽性能及鐵、銅的中子透射系數(shù)的研究結(jié)果表明:低溫長時燒結(jié)有助于提高B4Cp/Al復(fù)合材料的機(jī)械性能。在有氧條件下,試樣能產(chǎn)生增強(qiáng)相合金,最終提高材料機(jī)械性能。實驗范圍內(nèi)γ輻照對材料機(jī)械性能幾乎沒有影響。腐蝕應(yīng)力裂紋在腐蝕過程中產(chǎn)生。裂紋隨著腐蝕時間的延長變寬,數(shù)量增多。硼酸溶液濃度的改變對B4Cp/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很小,隨著濃度的升高,腐蝕強(qiáng)度增加但趨勢不明顯。腐蝕過程