太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

　　山西中通高技術(shù)有限公司

　　【技術(shù)簡(jiǎn)介】

　　基于潔凈和低資源消耗的優(yōu)勢(shì)，核能成為替代生物質(zhì)能源且最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?，核能利用也成為世界上各個(gè)國(guó)家最重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，如不考慮軍事目的，核能發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的意義。雖然日本福島核事故曾不同程度地影響了各國(guó)核電發(fā)展規(guī)劃的制定，但經(jīng)過三年的論證，人們已經(jīng)恢復(fù)對(duì)核電發(fā)展的信心，我國(guó)也已開始恢復(fù)核電站項(xiàng)目的審批。在2014年“兩會(huì)”上，國(guó)家能源局表示內(nèi)陸核電站重啟可能會(huì)列入下一個(gè)五年規(guī)劃。

　　2012年的統(tǒng)計(jì)資料表明：世界上已有31個(gè)國(guó)家擁有201家核電廠，反應(yīng)堆總數(shù)達(dá)到450座，核電總裝機(jī)容量3.92億千瓦以上，平均核發(fā)電量占這31個(gè)國(guó)家總發(fā)電量的22.7%，占世界總發(fā)電量的17%。其中反應(yīng)堆數(shù)量最多的是美國(guó)，擁有104座，核發(fā)電量占本國(guó)總發(fā)電量的20.2%;法國(guó)擁有58座，核發(fā)電量占本國(guó)總發(fā)電量的75.2%，為世界第一。伴隨著核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,也帶來(lái)了乏燃料的后處理問題。

　　核反應(yīng)堆卸出的乏燃料具有極強(qiáng)的放射性，伴有一定的中子發(fā)射率，需在乏燃料水池中貯存一段時(shí)間，以使短半衰期的放射性核素絕大部分衰變掉，并帶走其衰變熱。通常每臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組每年可卸出25t乏燃料，目前我國(guó)積累的乏燃料已達(dá)到1000t以上。按照我國(guó)核電發(fā)展的目標(biāo)，2020年后預(yù)計(jì)每年將卸下超過千噸的乏燃料。目前國(guó)內(nèi)外大部分乏燃料的貯存方式采用“濕式”貯存(即將乏燃料存放于水池的格架上)和“干式”貯存，干式貯存容器兼有貯存和運(yùn)輸乏燃料的功能。

　　為了增加乏燃料設(shè)施的貯存容量，同時(shí)確保在密集貯存中乏燃料陣列有足夠的安全裕量，常在乏燃料貯存水池格架和貯運(yùn)容器中設(shè)置固態(tài)吸收中子(也稱屏蔽)材料，以滿足乏燃料相互之間的臨界控制和安全防護(hù)的要求。如果吸收中子材料性能達(dá)不到吸收中子要求或產(chǎn)生破損，堆放在一起的乏燃料有效增值系數(shù)K(K=系統(tǒng)中子的產(chǎn)生率∕系統(tǒng)中中子的消失率[吸收率+泄露率])大于1，則反應(yīng)進(jìn)入超臨界狀態(tài)，中子隨時(shí)間不斷增加，相互之間釋放中子引發(fā)連鎖核裂變反應(yīng)，產(chǎn)生很強(qiáng)輻射，對(duì)操作人員產(chǎn)生過量輻照，其附帶放出的大量的熱會(huì)使乏燃料組件過熱而變形損壞，會(huì)給所在地區(qū)人類帶來(lái)巨大的生態(tài)危害。因此吸收中子材料成為核、乏燃料和核廢料貯運(yùn)過程中臨界控制和安全防護(hù)的必備材料。

　　吸收中子材料長(zhǎng)期處于中子輻照、射線輻照、弱酸介質(zhì)腐蝕和動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用等惡劣和復(fù)雜的極限工作環(huán)境中，傳統(tǒng)的吸收中子材料難以滿足現(xiàn)代化核電發(fā)展的要求。吸收中子性能、核輻照效應(yīng)和服役行為成為國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注的一個(gè)重要科學(xué)基礎(chǔ)問題，但對(duì)這些問題的研究還處于剛剛起步階段，特別是對(duì)輻照環(huán)境下吸收中子材料服役行為的研究幾乎處于空白。

　　針對(duì)目前核電產(chǎn)業(yè)對(duì)中子吸收材料的需求，太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與山西中通高技術(shù)有限責(zé)任公司開展了核電屏蔽中子用金屬基復(fù)合材料。采用高強(qiáng)、良好耐腐蝕性的鋁合金材料為基體，以具有較大熱中子吸收截面的碳化硼(B4C)顆粒為中子吸收體，采用粉末冶金復(fù)合技術(shù)制備大尺寸的高B4C顆粒含量的鋁基復(fù)合材料板材。解決了高B4C顆粒含量鋁基復(fù)合材料在擠壓、軋制等大塑性變形過程中材料邊緣、表面開裂等問題，B4C顆粒在基體鋁合金當(dāng)中分布均勻。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，制備出了碳纖維/碳化硼、鎢/B4C等混合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，可以同時(shí)具有吸收中子、γ射線的雙重功能。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于制備高陶瓷顆粒含量的金屬基復(fù)合材料，根據(jù)功能性要求的不同，功能性組元的選擇范圍較寬，所制備出來(lái)的材料尺寸較大。

　　采用該項(xiàng)技術(shù)制備出的大尺寸高B4C顆粒含量的鋁基中子吸收屏蔽板材得到了國(guó)內(nèi)相關(guān)核電企業(yè)的認(rèn)可，打破了國(guó)外相關(guān)企業(yè)在核電中子吸收屏蔽材料領(lǐng)域的壟斷地位。該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用在2015年榮獲了“山西省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”，所制備的金屬基復(fù)合材料屏蔽板材，根據(jù)需求還可應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、儀器儀表元件等屏蔽領(lǐng)域。

　　【主要技術(shù)指標(biāo)】

　　B4C顆粒增強(qiáng)鋁基中子屏蔽材料中子吸收組元B4C顆粒含量≥30wt.%，板材尺寸：4800×190×3mm，熱中子吸收性能≥95%，板材的抗拉強(qiáng)度高于260MPa，B4C顆粒含量誤差<1%，致密度達(dá)到99.9%以上。

　　【技術(shù)特點(diǎn)】

　　本項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于制備高陶瓷顆粒含量的金屬基復(fù)合材料板材。主要技術(shù)包括陶瓷顆粒表面改性技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)、復(fù)合材料擠壓技術(shù)和軋制技術(shù)以及復(fù)合材料板材的表面改性技術(shù)。具體技術(shù)特點(diǎn)如下：

　　1)對(duì)粉末狀陶瓷顆粒表面進(jìn)行改性，使其表面合金化，提高陶瓷/金屬之間的界面潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度。

　　2)優(yōu)化擠壓模具內(nèi)腔形狀尺寸，均化擠壓流變速度，解決了擠壓過程中的開裂問題。

　　3)對(duì)高含量B4C鋁基復(fù)合板材進(jìn)行表面改性，實(shí)現(xiàn)了表面封孔和涂層效果，提高了其耐蝕性能。

　　【適用范圍】

　　可用于制造核電站乏燃料貯存格架上的中子吸收板、醫(yī)療設(shè)備的防護(hù)材料以及軍工雷達(dá)等領(lǐng)域的屏蔽射線干擾、耐摩擦磨損、高強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的制備。

　　【專利狀態(tài)】

　　[1] 王文先，張鵬，王保東, 等. 一種鋁基碳化硼中子吸收復(fù)合材料的制備方法[P]. 中國(guó)專利: 2011 1 0224888.3, 2013-01-23. (已授權(quán))

　　[2] 王保東，王文先，張鵬，等. 一種鋁基碳化硼中子吸收板的制備方法[P]. 中國(guó)專利: 2011 1 0169818.2, 2015-09-18. (已授權(quán))

　　[3] 王文先，陳洪勝，張鵬，等. 一種屏蔽型鋁基復(fù)合板的制備方法[P]. 中國(guó)專利: 2014 10128199.6, 2015-04-15. (已授權(quán))

　　[4] 王文先，陳洪勝，張紅霞， 等. 粉末狀陶瓷材料的表面合金化方法[P]. 中國(guó)專利: 201410092719.2, 2015-09-02. (已授權(quán))

　　[5] 張鵬，王文先，陳洪勝， 等. 一種防護(hù)X、γ射線和中子輻射的硼鉛鋁復(fù)合板的制備方法[P]. 中國(guó)專利: 201410413729.1, 2015-05-20.(已授權(quán))

　　[6] 王文先，陳洪勝，李宇力，等. 一種防輻射釤鎢鋁屏蔽復(fù)合材料的制備方法[P].中國(guó)專利: 201410476455.0, 2015-10-28. (已授權(quán))

　　[7] 王文先，李宇力，王保東，等. 一種用于核燃料貯存運(yùn)輸?shù)闹凶游瞻宓闹苽浞椒╗P]:中國(guó): 201410456964.7, 2015-09-09.(已授權(quán))

　　[8] 王保東，王文先，秦艷兵, 等. 一種擠壓高陶瓷含量鋁基復(fù)合材料的模具[P]:中國(guó), 201410272810.2, 2015-07-22.(已授權(quán))

　　[9] 王文先，陳洪勝，鄧?yán)だ? 等. 一種鎂合金基中子屏蔽復(fù)合材料的制備方法[P]:中國(guó), 201410791007X, 2016-06-24.(已授權(quán))

　　[10] 王文先，武翹楚，王保東， 等. 一種碳化硼顆粒表面鍍銅方法[P]:中國(guó), 201510014166.3, 2017-01-11.(已授權(quán))

　　[11] 王文先，陳洪勝，王保東，等. 一種增強(qiáng)型鎂合金基中子吸收板的制備方法[P]:中國(guó), 201510070218.9, 2016-07-06. . (已授權(quán))

　　[12] 王文先，陳洪勝，王保東，等. 一種顆粒增強(qiáng)型鋁合金基耐磨材料的制備方法[P]:中國(guó), 201510191728.1, 2015-08-17. (已授權(quán))

　　【技術(shù)狀態(tài)】

　　目前高B4C顆粒含量的鋁基碳化硼中子吸收板生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品試用及中試階段已經(jīng)完成，準(zhǔn)備進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段。

　　【合作方式】

　　共同建立生產(chǎn)研發(fā)中心;實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工業(yè)化;合作申報(bào)項(xiàng)目。

　　【投入需求】

　　提供必要的生產(chǎn)場(chǎng)地及經(jīng)費(fèi)。

　　【轉(zhuǎn)化周期】

　　生產(chǎn)場(chǎng)地裝修、設(shè)備系統(tǒng)制造及調(diào)試，約需3-4個(gè)月，之后可立即投入生產(chǎn)。

　　【預(yù)期效益】

　　經(jīng)濟(jì)效益：

　　以5.5mm厚中子吸收板為例，價(jià)格為60萬(wàn)元/噸，一個(gè)反應(yīng)堆用量大約為20噸，計(jì)1200萬(wàn)RMB/堆，約合200萬(wàn)美元/堆;美國(guó)的平均價(jià)格為23.2萬(wàn)美元/噸，平均465萬(wàn)美元/堆。則每個(gè)反應(yīng)堆節(jié)約外匯265萬(wàn)美元，兩個(gè)反應(yīng)堆節(jié)約外匯530萬(wàn)美元，也即節(jié)支總額3180萬(wàn)元。利稅+節(jié)支共3800萬(wàn)。

　　社會(huì)效益：我國(guó)核電比例從目前的1.9%到2050年的22%，再仰望法國(guó)的75.2%，具有巨大發(fā)展空間和艱巨任務(wù)。該成果將是核乏燃料貯存和運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵材料，是核電發(fā)展和安全的最要保障，這也將加快我國(guó)核電國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，推動(dòng)核電科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從而保障國(guó)家和社會(huì)安全，保護(hù)自然資源或生態(tài)環(huán)境。加快此項(xiàng)目的本地化生產(chǎn)，參與核電站建設(shè)及其相關(guān)材料研發(fā)，也將對(duì)推動(dòng)我省轉(zhuǎn)型跨躍發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。因此，目前該項(xiàng)目社會(huì)效益遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益。

　　【聯(lián)系方式】

　　聯(lián)系人：王文先

　　聯(lián)系電話：13903411143

　　郵箱：wangwenxian@tyut.edu.cn