碳化硼材料在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用

      核反應(yīng)堆工作原理

      目前的核電站產(chǎn)生熱能的原理和原子彈爆炸的原理是一樣的，都是靠核裂變產(chǎn)生能量，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程： E=MC2將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?br />
      其主要過程為：含鈾的核原料發(fā)生裂變產(chǎn)生的熱量經(jīng)水或者熔鹽或氦氣通過熱交換器傳給液態(tài)水，液態(tài)水加熱后轉(zhuǎn)化為具有一定壓力的水蒸汽，水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)工作產(chǎn)生電送到千家萬戶

      中子吸收材料

      在核反應(yīng)堆堆芯組件中，中子吸收材料是僅次于燃料元件的重要功能元件，其主要作用是：

      通過棒的移動(dòng)或濃度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的控制，對(duì)核反應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)節(jié)；

      對(duì)核反應(yīng)起屏蔽防護(hù)作用。

      中子吸收材料主要性能要求包括：

      有高的中子吸收截面，且這種核作用不應(yīng)隨燃耗而降低；

      有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性，在運(yùn)行溫度和輻照條件下具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性；

      良好的導(dǎo)熱性，可將吸收中子反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量隨時(shí)導(dǎo)出；

      有良好的加工性。

      根據(jù)使用場(chǎng)合不同，中子吸收材料主要分為以下幾大類：

      控制棒

      調(diào)節(jié)棒

      事故棒

      安全棒

      屏蔽棒及屏蔽組件

      用于中子吸收材料的材料主要包括以下幾種：

      鉿(Hf)

      銀(Ag)-銦(In)-鎘(Cd)合金

      含硼(B)材料及某些稀土（Gd、Sm、Eu等）的氧化物。

      三、碳化硼（B4C）中子吸收材料

      B4C作為一種重要的快堆中子吸收材料，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

      B4C中10B的中子吸收截面高，僅次于Gd、Sm、Eu等稀土元素

      吸收能譜寬

      價(jià)格低、原料來源豐富

      吸收中子后沒有強(qiáng)的γ射線二次輻射，從而廢料易于處理。

      所以，綜合考慮各種因素和成本，B4C材料成為快中子增殖堆中首選的吸收材料。

      四、B4C材料在核反應(yīng)堆中的具體應(yīng)用

      1、控制棒

      B4C控制棒（圖2），B4C熔點(diǎn)2450℃，密度2490 kg/m3，不受酸和堿的侵蝕。在沸水堆中，常用B4C粉末包以不銹鋼制成十字型控制棒，而在快中子堆中，則常用B4C燒結(jié)塊包以不銹鋼做成棒組件。由于硼受輻照后產(chǎn)生氦，所以這種控制件要考慮棒的腫脹問題。

      2、防中子核電站用屏蔽組件

      B4C具有密度小、硬度高、強(qiáng)度高、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，將B4C粉體加入少量的助劑燒結(jié)為B4C塊體和板材可以用于核反應(yīng)堆的屏蔽組件。

      目前，快中子反應(yīng)堆普遍采用不同10B富集度的熱壓燒結(jié)B4C芯塊作為中子吸收材料，如控制棒等，選用熱壓燒結(jié)天然 B4C芯塊制造屏蔽組件

      3、添加B4C的防輻射聚乙烯板

      含硼聚乙烯板板是一種含有元素B4C增強(qiáng)的高分子聚乙烯(UHMWPE)，元素B可以提供抵抗額外的中子輻射屏蔽作用。高分子聚乙烯基體是一種富氫材料，再結(jié)合B元素可以應(yīng)用在核屏蔽領(lǐng)域中。富氫材料可以使中子衰減，而硼則易于吸收熱能化中子。含硼聚乙烯板板可用于核電站防輻射源的屏蔽防輻射材料。

      4、B4C/Al2O3燃料芯塊

      B4C/Al2O3芯塊屬于一種可燃毒物燃料芯塊，置于燃料組件之中，用于控制堆芯過剩反應(yīng)性，抑制功率峰，展平徑向功率分布。B4C/Al2O3芯塊為環(huán)形芯塊（圖5），是天然豐度B4C彌散在Al2O3中的復(fù)合陶瓷材料。芯塊長(zhǎng)度從10~51mm，壁厚僅約0.5mm，制造難度較高。核燃料可分為金屬型、陶瓷型和彌散型，外面敷以鋁合金、鎂合金、鋯合金以及不銹鋼等包殼材料。燃料芯塊的表面必須機(jī)械磨光，以保證與包殼材料的配合。核電站的反應(yīng)堆堆芯裝有100多個(gè)這樣的核燃料組件，總重量達(dá)幾十噸。

      （5）B4C/Al核燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸材料

        B4C/Al中子吸收材料在海外已替代硼不銹鋼等材料大量應(yīng)用于核燃料和乏燃料的高密度貯存和運(yùn)輸。中國(guó)由于核電商業(yè)化開展較晚，中子吸收材料研發(fā)明顯滯后，導(dǎo)致吸收材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了中國(guó)核電自主化與走出去的發(fā)展戰(zhàn)略。中科院研制的B4C/Al中子吸收材料為乏燃料運(yùn)輸容器全面國(guó)產(chǎn)化提供了重要支持。

       滅堆救援材料

       1986年切爾諾貝利核電站爆炸事故中，蘇聯(lián)空軍飛行員先后飛行3000架次，將5000噸B4C、沙子與鉛粉的混合物投進(jìn)反應(yīng)堆的開口，保證了核反應(yīng)堆停止運(yùn)行，避免核輻射進(jìn)一步加劇。

       五、蘇州納樸材料碳化硼粉體產(chǎn)品

      蘇州納樸材料科技有限公司是專業(yè)從事高性能特種陶瓷粉體及下游衍生制品的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的高科技型企業(yè)。公司可根據(jù)客戶需求提供不同規(guī)格的B4C粉體，最細(xì)粉體D50值可達(dá)0.2um，這些產(chǎn)品可用于核反應(yīng)堆吸收材料的制備。公司不僅為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品，同時(shí)也提供專業(yè)的技術(shù)解決方案，以滿足客戶差異化的應(yīng)用需求，為客戶提供增值服務(wù)。