一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及其制备方法 (Sacrificial concrete for reactor core catcher and preparation method thereof ) 是由 褚洪岩 蒋金洋 王凤娟 高李 秦健健 史文芳 王群 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及其制备方法,该牺牲混凝土的主要组成为：水泥575∽625份、石英砂1200∽1300份、赤铁矿石700∽800份、水200∽220份、减水剂7∽10份、氧化锶0∽10份。本发明制备工艺简单,采用常规的搅拌技术即可制备出流动性、强度、耐高温性能优良的牺牲混凝土。本发明制备的牺牲混凝土能够减小放射性物质～(89)Sr和～(90)Sr的释放量,从而能够提高严重事故情况下核电站的安全性。本发明制备的牺牲混凝土不仅可以用于目前第三代核电站的堆芯捕集器中,还可以用于未来第四代核电站的堆芯捕集器中,具有广泛的工程应用价值。(The invention discloses a sacrificial concrete for a reactor core catcher and a preparation method thereof, and the sacrificial concrete mainly comprises the following components: cement 575-625, quartz sand 1200-1300, hematite 700-800, water 200-220, water-reducing agent 7-10 and strontium oxide 0-10. The preparation process is simple, and the sacrificial concrete with excellent flowability, strength and high temperature resistance can be prepared by adopting the conventional stirring technology. The sacrificial concrete prepared by the invention can reduce radioactive substances 89 Sr and 90 sr is released, thereby enabling to improve the safety of the nuclear power plant in case of a severe accident. The sacrificial concrete prepared by the invention can be used in the reactor core catcher of the third-generation nuclear power station at present and the reactor core catcher of the fourth-generation nuclear power station in the future, and has wide engineering application value.)
技术领域
本发明涉及一种核电材料，尤其涉及一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及该材料的制备方法。
背景技术
在现代核电工程中，采用堆芯捕集器能够为核电站提供额外的保护屏障，从而提高核电站的安全性。在严重核电事故情况下，容器内堆芯捕集器主要用来接收、局部化和冷却堆芯熔融物。牺牲混凝土是堆芯捕集器的主要组成部分，该材料在堆芯熔融物的冷却和局部化过程中发挥了重要作用。虽然目前国内外都有一定数量的文献披露了牺牲混凝土的制备技术，但采用目前技术制备的牺牲混凝土具有耐高温性能差的问题。在严重核电事故情况下，堆芯熔融物的温度能够达到3000℃以上，所以牺牲混凝土的使用环境温度非常高。如果牺牲混凝土的耐高温性能差，在高温中作用下导致其残余抗压强度降低，缩短其服役寿命。此外，牺牲混凝土的耐高温性能差还会导致其内部孔隙率增大，进而导致其熔蚀速率大，从而导致严重核电事故情况下放射性物质泄漏的风险增大。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及其制备方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明公开一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土及其制备方法，该牺牲混凝土主要由以下重量份比例的原材料制备而成：
水泥份、石英砂份、赤铁矿石份、水份、减水剂份、氧化锶份。
所述的水泥为铝酸盐水泥，其Al2O3含量大于等于75％，SiO2含量小于等于0.5％。
所述的石英砂为高品质石英粉，其SiO2含量大于等于99％，粒径为
所述的赤铁矿石为高品质赤铁矿石，其Fe2O3含量大于等于92％，其粒径为
所述的水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为以质量分数计其固含量大于等于40％，pH值为4±2，减水率大于等于30％。
所述的氧化锶呈粉末状，其SrO含量大于等于95％。
所述的一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)取水泥、石英砂、氧化锶，混合均匀得到混合材料M1；
(2)将赤铁矿石加入上述混合材料M1中，进行搅拌后得到均匀混合材料M2；
(3)向上述均匀混合材料M2中加入水和减水剂二者的混合溶液，进行搅拌后得到均匀混合材料M3，然后进行成型养护，即可得到所述的用于堆芯捕集器的牺牲混凝土。
步骤(1)中，将水泥、石英砂、氧化锶加入强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为转/分钟，混合时间为分钟，得到混合材料M1；
步骤(2)中，赤铁矿石加入上述混合材料M1中，混合时间为分钟，得到混合材料M2；
步骤(3)中，首先用一半的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料2中，然后用另外一半的水去清洗盛放减水剂容器，清洗后再将水加入到混合材料M2中，混合时间为分钟，然后进行成型养护就能得到该种牺牲混凝土。
与现有技术相比，本发明制备的用于堆芯捕集器的牺牲混凝土具有良好的工作性能，其扩展度大于560mm，达到了自密实混凝土的流动性要求；它的抗压强度大于40MPa，比现有技术要求的30MPa提高了33％以上，能够显著提高其耐久性，延长服役寿命；它在1000℃的相对残余抗压强度达到30％以上，比现有技术提高了10％以上，其耐高温性能得到极大的提升。此外，与现有技术相比，该技术能够减小严重事故情况下放射性物质89Sr和90Sr的释放量。
技术效果：本发明制备工艺简单，采用常规的搅拌技术即可制备出流动性、强度、耐高温性能优良的牺牲混凝土。该发明制备的用于堆芯捕集器的牺牲混凝土具有优良的工作性能，方便工程施工；该牺牲混凝土的相对残余抗压强度得到了大幅度提升，显著提高了其耐高温性能。该牺牲混凝土中掺入的SrO，能够减小严重事故情况下放射性物质89Sr和90Sr的释放量。本发明制备的牺牲混凝土不仅可以用于目前第三代核电站的堆芯捕集器中，还可以用于未来第四代核电站的堆芯捕集器中，具有广泛的工程应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。此外，还对比实施例实验结果，强调本发明的优势。
实施例中所用原料满足以下要求：
水泥为CA80铝酸盐水泥，其Al2O3含量为77.8％，SiO2含量为0.37％。
石英砂为高品质石英粉，它的SiO2含量为99.3％，其粒径为
赤铁矿石为高品质赤铁矿石，其Fe2O3含量为94.1％，其粒径为
水为自来水。
减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈浅黄色，密度为1.10g/ml，以质量分数计其固含量45.5％，pH值为5，减水率33.5％。
氧化锶呈粉末状，其SrO含量为96.4％。
实施例1
一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
水泥600份、石英砂1250份、赤铁矿石750份、水210份、减水剂8份、氧化锶0份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括水泥、石英砂、赤铁矿石、水、减水剂、氧化锶；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的水泥、石英砂、氧化锶加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合6分钟，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)将赤铁矿石加入上述步骤(3)中混合材料M1中，混合7分钟，搅拌均匀得到混合材料M2；
(5)首先用一半的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M2中，然后用另外一半的水去清洗盛放减水剂容器，清洗后再将水加入到混合材料M2中，混合时间为10分钟，然后进行成型养护就能得到该种牺牲混凝土。
实施例2
一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
水泥595份、石英砂1250份、赤铁矿石750份、水210份、减水剂8份、氧化锶5份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括水泥、石英砂、赤铁矿石、水、减水剂、氧化锶；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的水泥、石英砂、氧化锶加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合6分钟，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)将赤铁矿石加入上述步骤(3)中混合材料M1中，混合7分钟，搅拌均匀得到混合材料M2；
(5)首先用一半的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M2中，然后用另外一半的水去清洗盛放减水剂容器，清洗后再将水加入到混合材料M2中，混合时间为10分钟，然后进行成型养护就能得到该种牺牲混凝土。
实施例3
一种用于堆芯捕集器的牺牲混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
水泥590份、石英砂1250份、赤铁矿石750份、水210份、减水剂8份、氧化锶10份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括水泥、石英砂、赤铁矿石、水、减水剂、氧化锶；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的水泥、石英砂、氧化锶加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合6分钟，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)将赤铁矿石加入上述步骤(3)中混合材料M1中，混合7分钟，搅拌均匀得到混合材料M2；
(5)首先用一半的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M2中，然后用另外一半的水去清洗盛放减水剂容器，清洗后再将水加入到混合材料M2中，混合时间为10分钟，然后进行成型养护就能得到该种牺牲混凝土。
上述的3个实施例，制备工艺完全相同，不同之处在于实施例1中水泥600份、氧化锶0份，实施例2中水泥595份、氧化锶5份，实施例3中水泥590份、氧化锶10份，三个实施例中水泥和氧化锶的质量之和为600份，而氧化锶的掺量依次增大。
性能检测
根据国家标准GB/T 14902-2012测量上述实施例中牺牲混凝土的工作性能，测量指标为扩展度。根据国家标准GB/T 50107-2010测量牺牲混凝土28天抗压强度，采用马弗炉对经过28天养护后的牺牲混凝土试件进行加热，设置升温速率为5℃/min，升温到1000℃后，牺牲混凝土试件在1000℃高温条件下恒温两个小时，然后在马弗炉中冷却，冷却到室温之后，测量其抗压强度。牺牲混凝土的相对抗压强度为其在1000℃时的抗压与其在室温时的抗压强度之比。根据热重综合分析测量牺牲混凝土的焓变，根据高温实验测量牺牲混凝土的分解温度，两个实验相结合即可得到牺牲混凝土的分解焓变。该实施例的实验结果，如下表1所示。
表1测量结果
由上表1可以看出，实施例中牺牲混凝土的扩展度大于560mm，满足自密实混凝土工作性能的要求。实施例中牺牲混凝土的28天抗压强度的最小值为40.3MPa，比现有技术要求的30MPa提高了34.3％，这表明其耐久性得到提高，从而可以延长其服役寿命。实施例中牺牲混凝土的相对残余抗压强度均在30％以上，比现有技术提高了10％以上，表明其耐高温性能得到极大的提升。实施例中牺牲混凝土的分解焓均比现有技术高，这表明其熔蚀速率比现有技术低，从而可以提高核电站的安全性。
关于牺牲混凝土中掺入的SrO对严重事故情况下气体中放射性物质89Sr和90Sr的影响，由于该项实验具有超高温、超高放辐射性的特点，目前尚不能进行原型实验研究。但是根据数值模拟实验研究的结果，与实施例1相比，实施例2、实施例3中的放射性物质89Sr和90Sr的释放量依次降低10％、18％以上，这表明该项技术能够减小放射性物质89Sr和90Sr释放量，从而能够提高核电站在严重事故情况下的安全性。
虽然随着氧化锶掺量的增大，导致牺牲混凝土的扩展度、28天抗压强度、相对残余抗压强度、分解焓变略有下降，但是该技术制备的牺牲混凝土各项参数仍比现有技术具有很大的提升。此外，随着氧化锶掺量的增大，能使放射性物质89Sr和90Sr释放量逐渐降低，从而能够提高核电站在严重事故情况下的安全性。通过实施例的结果可以看出，该项技术具有实质性的进步。
此外，需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
下面说明牺牲混凝土的分解焓变增大，导致其熔蚀速率降低的原因：
根据传热学理论，牺牲混凝土的熔蚀速率跟向它内部传递的热通量之间的关系，如下式所示：
V＝Q/(ρ×A×ΔH) (1)
上式中，V是牺牲混凝土的熔蚀速率，Q是向牺牲混凝土内部传递的热通量，A是牺牲混凝土的熔蚀面积，ΔH是牺牲混凝土的分解焓变。
由上式(1)可以看出，牺牲混凝土的熔蚀速率与其分解焓变呈反比。这表明：当牺牲混凝土的分解焓变增大时，导致牺牲混凝土的熔蚀速率下降。
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