专利名称:中子吸收球的制作方法
中子吸收球
技术领 域
本发明涉及核反应堆领域，尤其涉及一种中子吸收球的结构设计与材料设计。
技术背景
作为清洁的、安全、环保的能源，核能发电对于缓解世界及各国能源安全和全球气候变化问题都具有重要意义。虽然经过了美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故挫折，人们仍然在积极开发更安全、经济性更好的核能发电技术。目前，第三代核电技术已经基本成熟。
正在研发的第四代核能系统中，高温气冷堆可以实现很高的出口温度，具有高发电效率和高品位热供应能力，引起了人们的广泛关注。
高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件，氦气作为冷却剂，石墨作慢化剂，堆芯出口温度可以达到700°C，直至950 1000°C。高温气冷堆是一种安全性能好的堆型，这是由于1)优异的燃料元件性能；2)石墨堆芯的热容量大；3)全范围的负反应性温度系数； 4)氦冷却剂为惰性气体，化学稳定性好，不会发生相变。
吸收球停堆系统是高温气冷堆的第二停堆系统，在高温气冷堆运行过程中与控制棒系统配合，起到停堆与调节运行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者紧急停堆时，吸收球落入反应堆的吸收球孔道，利用碳化硼中kiB的吸收中子特性，吸收中子进而阻止反应堆的链式反应，实现反应堆的停堆；当反应堆需要启动时，吸收球通过气体输送到反应堆顶部的贮球罐内，使之处于备用状态。
根据吸收球的使用工况，要求吸收球有很好的耐磨损性能和抗热冲击性能，同时与石墨孔道间有良好的匹配性。纯碳化硼球的、含量高，中子吸收性能好，但易对石墨孔道造成磨损。因此需要一种具备中子吸收作用、改善吸收球与孔道间的磨损并具有良好的抗热冲击性的中子吸收球。中子吸收球结构上内核与壳层结构的设计，可以达到中子吸收球基本性能的同时，有利于提高中子吸收球的耐磨损性能、抗热冲击性能与力学性能，降低吸湿率，使中子吸收球在使用时的磨损减少，延长使用寿命。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种达到中子吸收球基本性能要求的同时，提高中子吸收球耐磨损性能、抗热冲击性与力学性能，降低中子吸收球与孔道间的磨损，降低吸收球在使用时的吸湿率，从而延长中子吸收球的使用寿命的中子吸收球结构。
( 二 )技术方案
为达到上述目的，本发明提出了一种中子吸收球结构，该中子吸收球由内核以及包覆在内核表面的壳层组成。
其中，内核包括基体材料与中子吸收剂，中子吸收剂均勻分布在基体材料中。
其中，基体材料为碳素材料。[0013]其中，中子吸收剂为碳化硼。
其中，壳层的材料为热解炭或陶瓷。
其中，陶瓷为氮化硅、碳化硅、碳化钛、氮化钛或二氧化锆中的一种。
其中，壳层采用化学气相沉积法(CVD)制备。
其中，壳层的材料为热解炭，采用化学气相沉积法制备热解炭所用的气源为甲烷、 乙炔、乙烯和丙烯中的一种气体或者任意几种气体的混合气体。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点
1、本发明的中子吸收球材料选用了碳素材料为基体材料，同时选用碳化硼作为中子吸收剂，中子吸收球各组分之间相容性良好，且物理化学性能稳定。碳素材料作为基体材料可以保证中子吸收球有很好的抗热冲击性能。
2、本发明中子吸收球的内核表面包覆一层壳层，这种结构设计提高中子吸收球耐磨损性能与力学性能，从而降低中子吸收球在使用过程中的磨损，延长使用寿命。同时致密的包覆壳层还可以降低中子吸收球的吸湿率，减少水气对中子吸收球使用的影响。
图1为本发明中子吸收球结构示意图。
其中，1 :内核；2 壳层。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。
实施例1
将碳化硼、石油焦、石墨粉体、树脂与酒精混合配制成浆料，将混合浆料注入喷雾造粒机，制成具有很好流动性的复合粉体。将造粒后的粉体装入模具，进行等静压成型，得到直径约6. 5mm含碳化硼的石墨球坯体。将含碳化硼的石墨球坯体在氩气保护下炭化，炭化温度800°C。对得到的石墨球进行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球进行高温处理，处理温度2000°C。对高温处理后的含碳化硼石墨球用乙炔气体通过化学气相沉积法(CVD)工艺进行表面包覆处理，CVD处理温度为1050°C，形成表面包覆热解炭层，即得到直径约为6mm的中子吸收球。这种包覆热解炭层的中子吸收球的耐磨率为没有壳层结构的吸收球的1/5。
本实施例中，采用化学气相沉积法(CVD)工艺对含碳化硼石墨球的表面进行包覆处理所使用的气源还可以是甲烷、乙烯和丙烯；或者以上几种气体的混合气体。
实施例2
将碳化硼、石墨粉体、树脂与酒精混合配制成浆料，将混合浆料注入喷雾造粒机， 制成具有很好流动性的复合粉体。将造粒后的粉体装入模具，进行等静压成型，得到直径约6. 5mm含碳化硼的石墨球坯体。将含碳化硼的石墨球坯体在氩气保护下炭化，炭化温度 800°C。对得到的石墨球进行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球进行高温处理， 处理温度2000°C。以三甲硅烷基胺和氨为原料，对高温处理后的含碳化硼石墨球进行化学气相沉积(CVD)制备氮化硅陶瓷层，处理温度为600°C。处理后即得到直径约为6mm的中子吸收球。这种包覆氮化硅层的中子吸收球的耐磨率为没有壳层结构的吸收球的1/10。
实施例3
将碳化硼、石油焦、石墨粉体、树脂与酒精混合配制成浆料，将混合浆料注入喷雾造粒机，制成具有很好流动性的复合粉体。将造粒后的粉体装入模具，进行等静压成型，得到直径约10. 5mm含碳化硼的石墨球坯体。将含碳化硼的石墨球坯体在氩气保护下炭化，炭化温度800°C。对得到的石墨球进行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球进行高温处理，处理温度2000°C。以海绵钛和四氯化碳为原料，对高温处理后的含碳化硼石墨球进行化学气相沉积(CVD)制备碳化钛陶瓷层，处理温度为900°C。处理后即得到直径约为IOmm的中子吸收球。这种包覆碳化钛层的中子吸收球的耐磨率为没有壳层结构的吸收球的1/12。
上述实施例2和实施例3中陶瓷壳层的材料分别是氮化硅和碳化钛。实际应用时陶瓷壳层的材料还可以是碳化硅、氮化钛或二氧化锆。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种中子吸收球，其特征在于，由内核以及包覆在所述内核表面的壳层组成。
2.如权利要求
1所述的中子吸收球，其特征在于，所述内核包括基体材料和中子吸收齐U，中子吸收剂均勻分布在基体材料中。
3.如权利要求
2所述的中子吸收球，其特征在于，所述基体材料为碳素材料。
4.如权利要求
2所述的中子吸收球，其特征在于，所述中子吸收剂为碳化硼。
5.如权利要求
1所述的中子吸收球，其特征在于，壳层的材料为热解炭或陶瓷。
6.如权利要求
5所述的中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷为氮化硅、碳化硅、碳化钛、 氮化钛或二氧化锆中的一种。
7.制备如权利要求
1所述的中子吸收球的方法，其特征在于，所述壳层采用化学气相沉积法制备。
8.如权利要求
7所述的制备中子吸收球的方法，其特征在于，所述壳层的材料为热解炭，采用化学气相沉积法制备热解炭所用的气源为甲烷、乙炔、乙烯和丙烯中的一种气体或者任意几种气体的混合气体。
专利摘要
本发明涉及核反应堆领域，公开了一种中子吸收球的结构与材料设计中子吸收球由内核以及包覆在内核表面的壳层组成。本发明中子吸收球性能得到改善，特别是壳层结构对中子吸收球性能改善明显，提高了耐磨损性能、抗热冲击性能、力学性能，降低了吸收球在反应堆使用时的吸湿率，延长了使用寿命。
文档编号G21C7/24GKCN102231287SQ201110163971
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月17日
发明者林旭平, 艾德生, 谭威, 邓长生, 马景陶, 黄志勇 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan