太原理工大學材料科學與工程學院

　　山西中通高技術有限公司

　　【技術簡介】

　　基于潔凈和低資源消耗的優勢，核能成為替代生物質能源且最具發展潛力的能源之一，核能利用也成為世界上各個國家最重要的能源發展戰略計劃，如不考慮軍事目的，核能發展對于實現人類可持續發展具有重要而深遠的意義。雖然日本福島核事故曾不同程度地影響了各國核電發展規劃的制定，但經過三年的論證，人們已經恢復對核電發展的信心，我國也已開始恢復核電站項目的審批。在2014年“兩會”上，國家能源局表示內陸核電站重啟可能會列入下一個五年規劃。

　　2012年的統計資料表明：世界上已有31個國家擁有201家核電廠，反應堆總數達到450座，核電總裝機容量3.92億千瓦以上，平均核發電量占這31個國家總發電量的22.7%，占世界總發電量的17%。其中反應堆數量最多的是美國，擁有104座，核發電量占本國總發電量的20.2%;法國擁有58座，核發電量占本國總發電量的75.2%，為世界第一。伴隨著核電產業的迅速發展,也帶來了乏燃料的后處理問題。

　　核反應堆卸出的乏燃料具有極強的放射性，伴有一定的中子發射率，需在乏燃料水池中貯存一段時間，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。通常每臺百萬千瓦級核電機組每年可卸出25t乏燃料，目前我國積累的乏燃料已達到1000t以上。按照我國核電發展的目標，2020年后預計每年將卸下超過千噸的乏燃料。目前國內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輸乏燃料的功能。

　　為了增加乏燃料設施的貯存容量，同時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容器中設置固態吸收中子(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的要求。如果吸收中子材料性能達不到吸收中子要求或產生破損，堆放在一起的乏燃料有效增值系數K(K=系統中子的產生率∕系統中中子的消失率[吸收率+泄露率])大于1，則反應進入超臨界狀態，中子隨時間不斷增加，相互之間釋放中子引發連鎖核裂變反應，產生很強輻射，對操作人員產生過量輻照，其附帶放出的大量的熱會使乏燃料組件過熱而變形損壞，會給所在地區人類帶來巨大的生態危害。因此吸收中子材料成為核、乏燃料和核廢料貯運過程中臨界控制和安全防護的必備材料。

　　吸收中子材料長期處于中子輻照、射線輻照、弱酸介質腐蝕和動態應力作用等惡劣和復雜的極限工作環境中，傳統的吸收中子材料難以滿足現代化核電發展的要求。吸收中子性能、核輻照效應和服役行為成為國內外專家關注的一個重要科學基礎問題，但對這些問題的研究還處于剛剛起步階段，特別是對輻照環境下吸收中子材料服役行為的研究幾乎處于空白。

　　針對目前核電產業對中子吸收材料的需求，太原理工大學材料科學與工程學院與山西中通高技術有限責任公司開展了核電屏蔽中子用金屬基復合材料。采用高強、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，采用粉末冶金復合技術制備大尺寸的高B4C顆粒含量的鋁基復合材料板材。解決了高B4C顆粒含量鋁基復合材料在擠壓、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中分布均勻。在此技術基礎上，制備出了碳纖維/碳化硼、鎢/B4C等混合增強鋁基復合材料，可以同時具有吸收中子、γ射線的雙重功能。該項技術可以應用于制備高陶瓷顆粒含量的金屬基復合材料，根據功能性要求的不同，功能性組元的選擇范圍較寬，所制備出來的材料尺寸較大。

　　采用該項技術制備出的大尺寸高B4C顆粒含量的鋁基中子吸收屏蔽板材得到了國內相關核電企業的認可，打破了國外相關企業在核電中子吸收屏蔽材料領域的壟斷地位。該項技術的產品應用在2015年榮獲了“山西省技術發明二等獎”，所制備的金屬基復合材料屏蔽板材，根據需求還可應用于醫療、航空航天、儀器儀表元件等屏蔽領域。

　　【主要技術指標】

　　B4C顆粒增強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%，板材的抗拉強度高于260MPa，B4C顆粒含量誤差<1%，致密度達到99.9%以上。

　　【技術特點】

　　本項技術主要應用于制備高陶瓷顆粒含量的金屬基復合材料板材。主要技術包括陶瓷顆粒表面改性技術、燒結技術、復合材料擠壓技術和軋制技術以及復合材料板材的表面改性技術。具體技術特點如下：

　　1)對粉末狀陶瓷顆粒表面進行改性，使其表面合金化，提高陶瓷/金屬之間的界面潤濕性和結合強度。

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

　　3)對高含量B4C鋁基復合板材進行表面改性，實現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、醫療設備的防護材料以及軍工雷達等領域的屏蔽射線干擾、耐摩擦磨損、高強的金屬基復合材料的制備。

　　【專利狀態】

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

　　[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]. 中國專利: 2011 1 0169818.2, 2015-09-18. (已授權)

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

　　[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]. 中國專利: 201410092719.2, 2015-09-02. (已授權)

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

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

　　[7] 王文先，李宇力，王保東，等. 一種用于核燃料貯存運輸的中子吸收板的制備方法[P]:中國: 201410456964.7, 2015-09-09.(已授權)

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

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

　　[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, 201510014166.3, 2017-01-11.(已授權)

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

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

　　【技術狀態】

　　目前高B4C顆粒含量的鋁基碳化硼中子吸收板生產技術研發和產品試用及中試階段已經完成，準備進入工業化生產階段。

　　【合作方式】

　　共同建立生產研發中心;實現產品工業化;合作申報項目。

　　【投入需求】

　　提供必要的生產場地及經費。

　　【轉化周期】

　　生產場地裝修、設備系統制造及調試，約需3-4個月，之后可立即投入生產。

　　【預期效益】

　　經濟效益：

　　以5.5mm厚中子吸收板為例，價格為60萬元/噸，一個反應堆用量大約為20噸，計1200萬RMB/堆，約合200萬美元/堆;美國的平均價格為23.2萬美元/噸，平均465萬美元/堆。則每個反應堆節約外匯265萬美元，兩個反應堆節約外匯530萬美元，也即節支總額3180萬元。利稅+節支共3800萬。

　　社會效益：我國核電比例從目前的1.9%到2050年的22%，再仰望法國的75.2%，具有巨大發展空間和艱巨任務。該成果將是核乏燃料貯存和運輸的關鍵材料，是核電發展和安全的最要保障，這也將加快我國核電國產化進程，推動核電科學技術的進步，從而保障國家和社會安全，保護自然資源或生態環境。加快此項目的本地化生產，參與核電站建設及其相關材料研發，也將對推動我省轉型跨躍發展有積極的促進作用。因此，目前該項目社會效益遠大于經濟效益。

　　【聯系方式】

　　聯系人：王文先

　　聯系電話：13903411143

　　郵箱：wangwenxian@tyut.edu.cn