楊立群,賈楠楠,周 劍,李葉凡,唐 軍

(中核四○四有限公司,蘭州 732850)

90Sr同位素溫差熱電池是利用90Sr衰變熱,將輻射能轉(zhuǎn)化為電能的同位素電池[1]。電池的放射性熱源來自于高放廢液的提取,這種清潔能源技術(shù)有效利用了核廢料的能源潛力,將放射性廢液中衰變能轉(zhuǎn)化為電能,并在極地、深海等無法傳輸傳統(tǒng)能源的場(chǎng)合,提供可靠的電力保障。

為了設(shè)計(jì)和研發(fā)可實(shí)用的90Sr同位素電池,本研究根據(jù)高放廢液的測(cè)量數(shù)據(jù),使用模擬料設(shè)計(jì)并壓制了鈦酸鍶熱源芯塊,并使用MCNP軟件對(duì)放射源的軔致輻射進(jìn)行相關(guān)模擬,提出減少放射源軔致輻射的方法,為提高同位素電池的使用壽命,優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)提供參考。

1 放射源的設(shè)計(jì)

90Sr與其衰變子體90Y均為純?chǔ)滤プ冊(cè)碵2]。90Sr和90Y的衰變參數(shù)列于表1,90Y的半衰期比90Sr短,在90Sr衰變的第25 d,90Y的產(chǎn)出與消耗達(dá)到平衡,原子百分比為90Sr的0.025%,放射性活度與90Sr相同,該狀態(tài)被稱為90Sr-90Y平衡。90Y衰變的能量較高,因此在設(shè)計(jì)制備放射源時(shí),需要提前設(shè)計(jì)模擬鈦酸鍶芯塊的組分,根據(jù)工藝對(duì)芯塊與熱源包殼進(jìn)行輻射評(píng)估與優(yōu)化。

表1 90Sr和90Y的衰變參數(shù)Table 1 Decay parameters of 90Sr and 90Y

1.1 鈦酸鍶粉末

核設(shè)施運(yùn)行期間產(chǎn)生的高放廢液經(jīng)過TODGA萃取提鍶處理后,可以獲得含有大量90Sr同位素的硝酸鍶料液[3]。硝酸鍶料液的陽離子中含有鈣、鋇、鎂、鐵、鉛等雜質(zhì)和鋯、釔等衰變產(chǎn)物[4]。該料液經(jīng)過沉淀、過濾、干燥、粉碎、煅燒轉(zhuǎn)化與二次粉碎,可以獲得90SrTiO3粉末。在制備粉末時(shí),應(yīng)盡可能除去非放射性陽離子,提高90Sr的豐度,增加源項(xiàng)的比發(fā)熱率。在工藝上,一般要求非放射性沾污低于總陽離子質(zhì)量的25%。同時(shí),90Sr需要高度純化,含量大于總陽離子質(zhì)量的36%。

高放廢液核素種類多、放射性強(qiáng),需要在制備放射性鈦酸鍶粉末前,對(duì)粉末的成分進(jìn)行預(yù)估[5]。表2為預(yù)估的鈦酸鍶粉末主要成分與質(zhì)量分?jǐn)?shù),其中90Sr的原子質(zhì)量占所有Sr離子的60.62%。

表2 90SrTiO3粉末成分Table 2 The composition of 90SrTiO3 powder

根據(jù)預(yù)估成分,調(diào)制的粉末狀非放射性88SrTiO3模擬物料示于圖1。粉末物料的壓片模具為內(nèi)徑2.0 cm的圓柱模,經(jīng)大于200 MPa壓縮強(qiáng)度的壓片工藝后,可以獲得密度為3.6 g/cm3鈦酸鍶生胚。

圖1 調(diào)制的88SrTiO3粉末與壓制的生胚Fig.1 Modulated 88SrTiO3 powder and pressed embryo

1.2 陶瓷芯塊

放射源的設(shè)計(jì)熱功率為3.34 W。根據(jù)90SrTiO3粉末的性質(zhì)與生胚的測(cè)量參數(shù),可以算出90SrTiO3芯塊的參數(shù)(表3)。

表3 90SrTiO3芯塊的參數(shù)Table 3 Parameters of the 90SrTiO3 pellet

如圖2所示,88SrTiO3生胚采用熱制法,燒制溫度在1 450 ℃以下,即可獲得陶瓷芯塊[6]。在成型時(shí),受壓片壓力與燒制溫度的影響,芯塊的實(shí)際密度會(huì)稍有波動(dòng)。

a——設(shè)計(jì)芯塊;b——熱制芯塊圖2 設(shè)計(jì)的90SrTiO3芯塊與熱制的88SrTiO3芯塊Fig.2 Designed 90SrTiO3 pellet and heated 88SrTiO3 pellet

1.3 熱源包殼

為了隔絕放射源與外界接觸,芯塊需要封裝在一個(gè)堅(jiān)固的包殼內(nèi)[7]。熱源盒的設(shè)計(jì)圖與加工的樣品示于圖3。根據(jù)熱仿真模擬,熱源盒采用雙層包殼設(shè)計(jì)。熱源盒內(nèi)層包殼外徑21.8 mm,總高度16.9 mm,側(cè)壁、底面厚0.6 mm,端蓋厚1 mm,采用316不銹鋼制造,耐酸堿、高溫與鈦酸鍶腐蝕。外層包殼外徑25.1 mm,總高度20.8 mm,側(cè)壁、底面厚度1.5 mm,端蓋厚1.8 mm,采用Inconel 625合金制造,耐高溫、氧化與海水腐蝕。芯塊、內(nèi)包殼、外包殼間的間隙填充氦氣。

a——設(shè)計(jì)圖;b——樣品圖3 熱源包殼的設(shè)計(jì)與樣品Fig.3 Design and sample of fuel cladding

2 軔致輻射模擬

90Sr-90Y產(chǎn)生的高能β射線接近原子核時(shí),受庫(kù)倫場(chǎng)的影響,電子速度減緩,運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn),一部分能量被轉(zhuǎn)換為次生X射線,這種現(xiàn)象被稱為軔致輻射[8]。在制造放射源時(shí),要綜合考慮β與X射線對(duì)生產(chǎn)工藝的影響,減輕軔致輻射對(duì)人員和設(shè)備的損傷。

2.1 放射性芯塊

根據(jù)90SrTiO3粉末的預(yù)估成分,建立放射性芯塊的MCNP計(jì)算模型,用于模擬電子在陶瓷芯塊內(nèi)的輸運(yùn)與軔致輻射[9]。結(jié)果顯示,90Sr-90Y產(chǎn)生的電子經(jīng)芯塊材料的慢化,在芯塊表面產(chǎn)生了平均注量率為1.21×1011cm-2·s-1的光子與3.97×1011cm-2·s-1的電子。

芯塊表面的粒子注量分布示于圖4,其中電子主要在0～2 MeV能量區(qū)間內(nèi),光子主要在0～0.7 MeV范圍內(nèi)。芯塊表面的自由空氣比釋動(dòng)能率為455.37 Gy/h,放射性強(qiáng)。為了減少工藝人員的受照劑量,芯塊的熱制工藝必須在屏蔽手套箱內(nèi)完成。

圖4 芯塊表面的粒子注量分布Fig.4 Particle flux distribution over the surface of pellet

2.2 熱源盒表面

小功率同位素電池的熱電轉(zhuǎn)換器件會(huì)貼在熱源盒上表面,受到芯塊輻照。為了選擇合適的耐輻照熱電器件,需要對(duì)熱源盒表面的粒子與劑量分布情況進(jìn)行分析。

人類社會(huì)在不同歷史時(shí)期的社會(huì)結(jié)構(gòu)不同，從而形成了不同的治理模式。所謂治理，不同學(xué)術(shù)領(lǐng)域的人士從不同角度做過闡述。筆者在討論中借鑒全球治理委員會(huì)給出的定義：“治理是各種公共或私人的個(gè)人和機(jī)構(gòu)管理其共同事物的諸多方面的總和”[1]。人類社會(huì)目前正向全球化、后工業(yè)化時(shí)代邁進(jìn)。“全球化進(jìn)程加速，使復(fù)雜性和不確定性因素迅速增長(zhǎng)、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，要求建立一個(gè)具有開放性、包容性、靈活性、負(fù)責(zé)任的多元主體治理結(jié)構(gòu)”[2]。在這種大環(huán)境中，了解社會(huì)治理研究進(jìn)展，對(duì)人們正確認(rèn)識(shí)國(guó)情，共同維護(hù)穩(wěn)定至關(guān)重要。出于上述考慮，筆者做了一次調(diào)查。

使用圖5所示的熱源盒MCNP評(píng)估模型,獲得了熱源盒表面光子和電子的注量分布能譜(圖6)。由圖6可以看出,放射源輻射出的電子大部分被芯塊與包殼慢化,最終逃逸到熱源盒表面的極少,平均注量率僅為8.07×107cm-2·s-1。光子的平均注量率為3.45×1010cm-2·s-1,多分布在0.1～0.6 MeV能量區(qū)間。熱源盒表面平均的自由空氣比釋動(dòng)能率為152.78 Gy/h,上表面的為131.26 Gy/h,輻照劑量強(qiáng),需要提高熱電材料的抗輻照性能。

圖5 熱源盒的示意圖Fig.5 Schematic diagram of fuel cladding

圖6 熱源盒表面的粒子注量分布Fig.6 Particle flux distribution over the surface of fuel cladding

3 放射源的輻射優(yōu)化

β射線的屏蔽一般采用雙層結(jié)構(gòu),先用低原子量與密度的材料阻擋電子,再用高原子量和密度的材料阻擋次級(jí)光子[10]。熱電器件的輻照主要來自于軔致輻射產(chǎn)生的光子。為了減少90Sr-90Y源對(duì)熱電器件的輻照,根據(jù)軔致輻射的原理,可以用庫(kù)倫場(chǎng)弱的低原子量材料來屏蔽優(yōu)化放射源?？尚械牡驮恿抗腆w材料有石墨、鋁和氮化硼。

3.1 芯塊包裹方法

為了吸收鈦酸鍶芯塊產(chǎn)生的β射線,降低軔致輻射,可以在放射源與高原子序數(shù)材料間增加低原子序數(shù)的阻擋材料。三種材料中,鋁的可塑性最好,壓制的鋁箔可以直接作為低原子量屏蔽層包裹芯塊。

如圖7所示,模擬在鈦酸鍶芯塊外均勻包裹一層0.3 mm厚的鋁箔。由于內(nèi)部空間增加,熱源盒內(nèi)外層包殼的直徑與高度參數(shù)也同時(shí)增加0.6 mm,其他間隙參數(shù)不變。

圖7 鋁箔包裹芯塊的屏蔽計(jì)算模型Fig.7 A shielding calculation model for aluminum foil wrapped core blocks

用MCNP軟件對(duì)熱源盒的表面進(jìn)行輻照評(píng)估。結(jié)果顯示,包殼表面的平均自由空氣比釋動(dòng)能率為141.6 Gy/h,比原來減少了7%;熱源盒上表面自由空氣比釋動(dòng)能率為120.67 Gy/h,比原來減少了8%。該優(yōu)化方法模擬可行,但在熱室或手套箱的實(shí)際操作中,給放射性芯塊包裹貼合的鋁箔很難實(shí)現(xiàn)。并且鋁的還原性較強(qiáng),跟鈦酸鍶的相容性差,如果大面積接觸,在長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下,有與鈦酸鍶反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。在沒有經(jīng)過熱源驗(yàn)證的情況下,該方法的可行性較低。

采用相同的原理,也可以在熱源盒內(nèi)層包殼的內(nèi)壁上噴涂或鍍上一定厚度的氮化硼或石墨,用于降低熱源的軔致輻射。但該加工工藝成本較高,在小尺寸熱源盒的內(nèi)壁空間內(nèi)操作的難度也較大。

3.2 芯塊配料的優(yōu)化

在鈦酸鍶芯塊中增加低原子序數(shù)材料,理論上能夠減少軔致輻射[11]。在熱制法壓片工藝的高溫環(huán)境下,石墨與鋁的粉末化學(xué)性質(zhì)活潑,會(huì)影響芯塊燒制;氮化硼的性質(zhì)穩(wěn)定且導(dǎo)熱率高,可以作為芯塊壓制的潤(rùn)滑劑,工藝可行。

模擬在鈦酸鍶粉末配料中增加了原粉末質(zhì)量十分之一的氮化硼粉末。假設(shè)壓片模具與熱制環(huán)境不變,芯塊熱制后的密度也不變。增添氮化硼后芯塊的物理參數(shù)列于表4,此時(shí)芯塊的尺寸與3.1節(jié)中芯塊包裹鋁箔后的尺寸相同。熱源盒的尺寸也與3.1節(jié)中相同。

表4 摻雜氮化硼的芯塊參數(shù)Table 4 Pellet parameters doped with boron nitride

為了評(píng)估增添氮化硼粉末后芯塊的自屏蔽效果,用MCNP軟件對(duì)熱源盒的表面進(jìn)行輻照評(píng)估。結(jié)果顯示,包殼表面的平均自由空氣比釋動(dòng)能率為134.0 Gy/h,比原來減少了12%;熱源盒上表面自由空氣比釋動(dòng)能率為112.62 Gy/h,比原來減少了14%。該方法的屏蔽效果比3.1節(jié)的方法更明顯,且操作更為簡(jiǎn)單。根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增添氮化硼后,芯塊的熱阻有著明顯的降低,這對(duì)提高電池的熱電轉(zhuǎn)化性能有著積極作用。

3.3 增加墊片的方法

在設(shè)計(jì)熱源包殼時(shí),芯塊與內(nèi)層包殼端蓋間預(yù)留了0.5 mm的間隙裕量。在該間隙中填充低原子序數(shù)材料薄片作為減震墊片,理論上能夠減少熱源盒上表面的光子通量。為了驗(yàn)證該方法的可行性,如圖8所示,分別在間隙中填充0.3 mm厚的鋁箔、石墨片和立方氮化硼膜,并使用MCNP模擬熱源盒上表面的自由空氣比釋動(dòng)能率。

圖8 熱源盒屏蔽計(jì)算模型Fig.8 The shielding calculation model of fuel cladding

填充不同材料后熱源盒表面的空氣比釋動(dòng)能率模擬結(jié)果列于表5。由表5數(shù)據(jù)可以看出,三種材料的薄片都可以減少熱源盒上表面的輻射劑量。其中鋁的效果最好但還原性較強(qiáng),石墨操作性差易破損,因此使用氮化硼膜更為可行。屏蔽模擬結(jié)果受限于間隙寬度,效果有限。因此需要更改熱源盒的設(shè)計(jì),增大芯塊與內(nèi)層包殼端蓋的間隙,來增加屏蔽墊片的厚度。

表5 填充不同材料后熱源盒表面的空氣比釋動(dòng)能率Table 5 The air kerma free-in-air rate on the surface of the fuel cladding after filling different materials

在熱源包殼直徑、寬度與間隙厚度不變的情況下,氮化硼墊片的厚度從0.3 mm逐漸增加至1.5 mm,熱源盒的高度也隨墊片厚度相應(yīng)增加。MCNP模擬的外層包殼上表面自由空氣比釋動(dòng)能率隨墊片厚度的變化曲線示于圖9。由圖9結(jié)果可以看出,隨著墊片厚度的增加,包殼上表面的軔致輻射越少。模擬結(jié)果證明,該熱源盒的優(yōu)化方案能夠有效減少熱源盒頂部溫差熱電材料的受照劑量。

圖9 自由空氣比釋動(dòng)能率隨墊片厚度增加的變化曲線Fig.9 The variation curve of air kerma free-in-air with increasing gasket thickness

4 結(jié)論

1) 本研究對(duì)90Sr同位素電池使用的鈦酸鍶放射源進(jìn)行了成分分析,并根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了鈦酸鍶陶瓷芯塊與熱源包殼。

2) 為了輔助生產(chǎn)工藝,在構(gòu)建完成同位素電池的放射源模型后,使用MCNP軟件對(duì)放射源芯塊與熱源盒進(jìn)行了評(píng)估,得到熱源盒上表面的自由空氣比釋動(dòng)能率為131.26 Gy/h。

3) MCNP模擬結(jié)果證明,使用鋁箔包裹芯塊、優(yōu)化芯塊配料和增加氮化硼墊片的方法都能有效的減少放射源對(duì)熱電轉(zhuǎn)換器件的輻照。這三種方法的原理是使用低原子序數(shù)材料吸收β射線,減少軔致輻射。這些輻射優(yōu)化方法對(duì)減少溫差熱電器件的能量沉積、提高電池使用壽命、降低屏蔽厚度有積極意義。

4) 三種輻射優(yōu)化方法都會(huì)改變熱源盒設(shè)計(jì)尺寸,改變電池的體積與質(zhì)量,且包裹鋁箔的方法工程可行性較差。因此在制定同位素電池的整體設(shè)計(jì)方案時(shí),要綜合考慮生產(chǎn)成本、屏蔽效果、制造工藝和器件壽命等因素,選擇最合適的優(yōu)化方案。