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为大科学装置穿上抵御辐射的软猬甲——澳门射线应用研究中心《新型柔性复合屏蔽材料》
发布时间:2018-03-16 15:00

  软猬甲是金庸武侠小说《射雕英雄传》的一件神奇甲胄,轻薄柔软却无比坚韧,刀枪不入,可以防御内家拳掌。在本文大家用软猬甲比喻澳门射线应用研究中心研制的新型柔性复合屏蔽材料,比较贴切、形象。这项成果被评为美高梅手机版登录2016年度优秀科技成果,具有广泛的市场情景,为我国大科学装置提高防护能力谱写了新的一页。

国家的需要就是大家的责任

随着我国核技术的飞速发展,国家加快建设大科学装置的步伐,中国先进研究堆(CARR)、中国散裂中子源(CSNS)、中国绵阳研究堆(CMRR)等大型核技术设施,安装着大量先进的科学探测仪器,开发新型屏蔽材料对提高科研设备的防护性具有重要意义。

所安装的探测仪器包括对辐射敏感的元件,信号转化,放大以及数据分析处理等器件,需要防护,尤其需要屏蔽即阻挡中子。但是这些器件的外形复杂多变,多数为异型。以前,用于科研设备辐射防护是通用中子屏蔽材料的硬质板材,它们与这些器件的外形难于紧密贴合,导致防护效果大大降低,甚至导致探测结果失真。而加工成复杂异型件难度较大且成本较高。为了保护从事核技术研究人员的健康,提高科研设备的安全性和精度,需要开发柔性复合屏蔽材料。高含量的柔性复合屏蔽材料以较薄的厚度即可提供良好的屏蔽性能,十分适用于大科学装置的辐射防护。这种材料可以在现场随型切割、粘接、包覆,非常方便,而且和异型表面贴合良好,有效提高了辐射防护水平。

这项研究属于复合材料与核技术交叉的学科领域,主要研发内容是开发一种用于热中子辐射防护的高填量、超薄、大幅面的柔性复合屏蔽材料。该材料技术要求高,科研投入大,由于主要用于核科研设备领域,市场容量有限,研发有一定难度。目前,国外发达国家的先进核技术实验室已应用了柔性复合屏蔽材料。由于涉及核技术,属于敏感领域,我国进口受到诸多限制。即便通过承诺实现进口,由于使用目的和环境明确,进口价格非常高昂。加上供货时间的不确定性,影响了国内建设项目进度。

作为屏蔽材料研发和生产单位,射线中心了解到这一情况后,以国家需要为己任,为实现复合屏蔽材料国产化,打破国外垄断,巩固国内行业领先地位,丰富产品种类,积极开展新材料研发。

攻关不怕难,攀登无止境

叶剑英元帅曾说,“攻城不怕坚,攻书莫畏难。科学有险阻,苦战能过关。”射线中心项目团队始终以不怕困难、勇于挑战的精神投入到研发生产中。

项目几乎从一张白纸开始,初期资料极为缺乏,用户也提不出具体指标。团队借助于在屏蔽材料领域多年的研发经验,短时间内制定了技术方案,很快实现了实验室研制。在进一步试生产时遇到诸多困难。由于材料助剂添加量大、厚度薄,大尺寸的制品容易断裂,造成废品率很高,而且产品外观也不平整。

正当科研人员一筹莫展时,李建君同志提出,“可否采用连续化胶片生产设备进行制造?”此方法对通用橡胶材料适用,但对这种新型材料是否合适,大家心里没底,而且连续化生产设备,一次投料量较大,一旦实验失败,原材料损失也较大。

“明知山有虎,偏向虎山行”。李淑凤同志带领项目团队进驻工厂进行试验。不出所料,由于设备控制参数、材料性能不匹配,开始的几批投料试验全部失败,损失的原材料已超过供货合同的数额。

还干不干?项目团队分析了问题原因,制定了新的方案,咬牙继续进行试验。经过数次失败后,终于制造出大幅面、低厚度、高含量的柔性复合屏蔽材料。按期完成了首批产品的交付。当客户摸着新型屏蔽材料时,质量大大超出了其预期。由于得到了客户的好评,此后实现了连续订货。

2014年,在CARR先进堆某谱仪设备的建设项目中,客户要求提供尺寸规格更大、含量更高的柔性屏蔽材料。由于技术难度的增加,科研人员开始有碰到天花板的感觉。但项目团队在以往工作的基础上,将辐照预硫化、高填充混炼等技术手段结合起来,“百尺竿头,更进一步”,将产品性能的进一步提高,实现了批量生产,整体性能达到了国内先进水平。和国外同类材料相比,关键技术参数实现超越。在技术攻关过程中申请了多项发明专利。

本项目基于中心在屏蔽材料领域多年的经验和技术成果研制而成,并得到了美高梅手机版登录的青年骨干计划项目的支撑。为保证本项目的顺利实施,澳门射线应用研究中心和下属北京富迪创业科技有限企业共同进行了本项目的材料研发、工程化研究及市场开拓。整个开发工作由中心主导,中心负责产品的材料研制、性能测试、初期推广工作,富迪企业负责产品的生产及工艺改进等工作,双方通过技术服务合同共同分享技术成果产业化的经济效益。

软猬甲技术大揭秘

新型屏蔽材料要求材料具有优异的中子屏蔽性能,在高填量助剂和较薄的厚度下实现产品良好的柔韧性和力学强度,同时还要具备良好的平整度。

为解决上述技术问题,项目从材料选型、材料配方、成型工艺、连续化制造工艺、施工性能等多方面综合考虑,突破了新材料研制、配方体系开发、连续成型工艺等关键技术难点。一是材料配方体系的选择及优化,优选了柔性橡塑基材及辐射防护助剂、增强助剂、增韧助剂等多种助剂,实现了材料性能和工艺性能的良好匹配;二是采用辐照硫化工艺对材料进行了预硫化,较好解决了高填量助剂和基材的相容性问题,赋予材料良好的柔韧性;三是通过对工艺流程的优化实现了超薄、超大版面屏蔽材料的连续制造工艺;四是通过对材料表面的改性及复合,进一步提高了材料的屏蔽性能和适用性。

通过本项目研制,在新型多功能材料的配方研制及优化、辐照预硫化工艺及大幅面薄板连续制造工艺、材料表面多功能改性工艺、屏蔽性能能谱法测量技术等方面实现了多项创新。

应用前景无限美好

该项目技术成果已经形成批量生产,应用于CARR中国先进堆的配套科研设备“冷中子非弹性散射谱仪”的建造中,已经完成两批次供货,创造经济价值近100万元。“冷中子非弹性散射谱仪”项目承担方为中国人民大学,该项目属于国家重大科研仪器设备研制专项,是国家自然科学基金委迄今为止对高等学校资助单项经费最高的项目。

由于供货产品性能优于国外产品,在使用中取得了良好的示范效果,目前CARR中国先进堆其他配套谱仪设备建造承担单位陆续达成采购意向。未来随着我国大科学装置如中国先进堆CARR、中国散裂源CSNS及未来的大型环形正负电子对撞机CEPC等项目的开展,以及核电领域和国防领域的市场开拓,该材料还将有更为广阔的市场前景。

北京作为全国科技创新的龙头之一,在核技术方面具有很强的综合实力,中国先进堆CARR、高温气冷堆HTGR、中国快堆CEFR、北京正负电子对撞机BEPC等大型核研发设备都建于北京近郊,该材料对于提高实验装置的辐射防护安全性,提高对操作人员的安全防护具有重要的作用。

该材料对于提高我国先进研究装备的整体防护性能,促进我国相关产业结构升级具有重要的战略意义。

 

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