碳化硼材料在核反应堆中的应用

      核反应堆工作原理

      目前的核电站产生热能的原理和原子弹爆炸的原理是一样的，都是靠核裂变产生能量，根据爱因斯坦的质能方程： E=MC2将质量转变为能量。

      其主要过程为：含铀的核原料发生裂变产生的热量经水或者熔盐或氦气通过热交换器传给液态水，液态水加热后转化为具有一定压力的水蒸汽，水蒸气推动蒸汽轮机工作产生电送到千家万户

      中子吸收材料

      在核反应堆堆芯组件中，中子吸收材料是仅次于燃料元件的重要功能元件，其主要作用是：

      通过棒的移动或浓度变化实现对反应堆的控制，对核反应随时进行补偿和调节；

      对核反应起屏蔽防护作用。

      中子吸收材料主要性能要求包括：

      有高的中子吸收截面，且这种核作用不应随燃耗而降低；

      有足够的机械强度和抗腐蚀性，在运行温度和辐照条件下具有足够的化学稳定性和尺寸稳定性；

      良好的导热性，可将吸收中子反应所产生的热量随时导出；

      有良好的加工性。

      根据使用场合不同，中子吸收材料主要分为以下几大类：

      控制棒

      调节棒

      事故棒

      安全棒

      屏蔽棒及屏蔽组件

      用于中子吸收材料的材料主要包括以下几种：

      铪(Hf)

      银(Ag)-铟(In)-镉(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作为一种重要的快堆中子吸收材料，主要具有以下优点：

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

      吸收能谱宽

      价格低、原料来源丰富

      吸收中子后没有强的γ射线二次辐射，从而废料易于处理。

      所以，综合考虑各种因素和成本，B4C材料成为快中子增殖堆中首选的吸收材料。

      四、B4C材料在核反应堆中的具体应用

      1、控制棒

      B4C控制棒（图2），B4C熔点2450℃，密度2490 kg/m3，不受酸和碱的侵蚀。在沸水堆中，常用B4C粉末包以不锈钢制成十字型控制棒，而在快中子堆中，则常用B4C烧结块包以不锈钢做成棒组件。由于硼受辐照后产生氦，所以这种控制件要考虑棒的肿胀问题。

      2、防中子核电站用屏蔽组件

      B4C具有密度小、硬度高、强度高、耐磨损、耐高温、化学稳定性好等优点，将B4C粉体加入少量的助剂烧结为B4C块体和板材可以用于核反应堆的屏蔽组件。

      目前，快中子反应堆普遍采用不同10B富集度的热压烧结B4C芯块作为中子吸收材料，如控制棒等，选用热压烧结天然 B4C芯块制造屏蔽组件

      3、添加B4C的防辐射聚乙烯板

      含硼聚乙烯板板是一种含有元素B4C增强的高分子聚乙烯(UHMWPE)，元素B可以提供抵抗额外的中子辐射屏蔽作用。高分子聚乙烯基体是一种富氢材料，再结合B元素可以应用在核屏蔽领域中。富氢材料可以使中子衰减，而硼则易于吸收热能化中子。含硼聚乙烯板板可用于核电站防辐射源的屏蔽防辐射材料。

      4、B4C/Al2O3燃料芯块

      B4C/Al2O3芯块属于一种可燃毒物燃料芯块，置于燃料组件之中，用于控制堆芯过剩反应性，抑制功率峰，展平径向功率分布。B4C/Al2O3芯块为环形芯块（图5），是天然丰度B4C弥散在Al2O3中的复合陶瓷材料。芯块长度从10~51mm，壁厚仅约0.5mm，制造难度较高。核燃料可分为金属型、陶瓷型和弥散型，外面敷以铝合金、镁合金、锆合金以及不锈钢等包壳材料。燃料芯块的表面必须机械磨光，以保证与包壳材料的配合。核电站的反应堆堆芯装有100多个这样的核燃料组件，总重量达几十吨。

      （5）B4C/Al核燃料储存和运输材料

        B4C/Al中子吸收材料在海外已替代硼不锈钢等材料大量应用于核燃料和乏燃料的高密度贮存和运输。中国由于核电商业化开展较晚，中子吸收材料研发明显滞后，导致吸收材料长期依赖进口，严重制约了中国核电自主化与走出去的发展战略。中科院研制的B4C/Al中子吸收材料为乏燃料运输容器全面国产化提供了重要支持。

       灭堆救援材料

       1986年切尔诺贝利核电站爆炸事故中，苏联空军飞行员先后飞行3000架次，将5000吨B4C、沙子与铅粉的混合物投进反应堆的开口，保证了核反应堆停止运行，避免核辐射进一步加剧。

       五、苏州纳朴材料碳化硼粉体产品

      苏州纳朴材料科技有限公司是专业从事高性能特种陶瓷粉体及下游衍生制品的研发、生产与销售的高科技型企业。公司可根据客户需求提供不同规格的B4C粉体，最细粉体D50值可达0.2um，这些产品可用于核反应堆吸收材料的制备。公司不仅为客户提供高品质的产品，同时也提供专业的技术解决方案，以满足客户差异化的应用需求，为客户提供增值服务。