增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制作方法

文檔序號：12251632閱讀：593來源：國知局

本發明涉及對高水平放射性廢物處置容器進行石墨烯涂層處理，提高處置容器耐腐蝕性能和熱傳導性能。

背景技術：

高放廢物安全處置是當前核能發展和核技術利用面臨的突出問題之一，也是放射性廢物管理的重點和難點問題。地質處置被認為是最具有工程前景的處置方案，“地質處置”是指在地下穩定地質構造中(通常在地表以下數百米或更深處)的設施中進行固體放射性廢物處置，以使放射性廢物與生物圈長期有效隔離。它是以放射性核素的包容、隔離為核心內容，以多重屏障(包括廢物體、包裝容器、緩沖回填材料和處置圍巖)為主要手段，以及上萬年以上公眾健康和環境保護為基本安全目標的極其復雜的系統工程。《中華人民共和國放射性污染防治法》已明確規定，我國高放廢物實施集中的深地質處置。

高放廢物深地質處置的概念設計一般為如下所述：先將后處理產生的高放廢液進行玻璃固化并將其嚴格密封在特殊容器里，不采用閉合循環的國家則直接將乏燃料密封在特殊容器里，再將裝有廢物的容器處置在地下數百米深的穩定基巖中，廢物桶周圍及上下用高壓實膨潤土塊封閉。在這種處置系統中，廢物體本身是第一道屏障，金屬容器(廢物桶)是第二道屏障，緩沖/回填材料是第三道屏障，而處置介質(圍巖)和周圍的地質環境是第四道屏障。前三道屏障屬于工程屏障，可以通過工程設計使其適合特定的條件；第四道屏障是天然屏障，主要通過選址工作加以確定。工程屏障和天然屏障共同組成了包容放射性核素的多重屏障的隔離體系。

放射性廢物處置容器是第二道工程屏障，在各個國家的處置概念設計及安全評價中，處置容器要保證至少1000年的壽命。當前高水平放射性廢物玻璃固化體的處置容器材料設計主要為低碳鋼，乏燃料的處置容器材料設計主要為無氧銅，容器造價昂貴。玻璃固化體處置容器內部為玻璃固化體的盛裝容器，外部為高壓實的膨潤土環，乏燃料處置容器內部為帶燃料包殼的乏燃料，外部同樣為高壓實的膨潤土環。

石墨烯是由碳原子以sp²雜化連接的單原子層構成的，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，其理論厚度僅為0.35nm，是目前所發現的最薄的二維材料。石墨烯是構成其它石墨材料的基本單元，可以翹曲變成零維的富勒烯，卷曲形成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨(見圖1)。這種特殊結構蘊含了豐富而奇特的物理現象，使石墨烯表現出許多優異的物理化學性質，如石墨烯的強度是已測試材料中最高的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達1.5×10⁴cm²·V^-1·s^-1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍，超過商用硅片遷移率的10倍，在特定條件下(如低溫驟冷等)，其遷移率甚至可高達2.5×10⁵cm²·V^-1·s^-1；石墨烯的熱導率可達5×10³W·m^-1·K^-1，是金剛石的3倍；石墨烯還具有超強的耐腐蝕性能、室溫量子霍爾效應(Hall effect)及室溫鐵磁性等特殊性質。

綜上分析，目前高放廢物地質處置所采用的概念設計和安全評價模式中，處置容器的壽命是依靠金屬自身的耐腐蝕性能、強度和導熱性能。因此將石墨烯作為涂層增加于處置容器表面形成石墨烯涂層，在此領域的研究還屬空白。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種增強高水平放射性廢物處置容器耐腐蝕性能和導熱性能的耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層；本發明還對高水平放射性廢物處置容器進行石墨烯涂層處理，提高處置容器耐腐蝕性能和熱傳導性能。

實現本發明目的的技術方案：

本發明所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層，該石墨烯涂層厚度為20～30μm，涂敷于放射性廢物處置容器外表面，所述的放射性廢物處置容器為低碳鋼或無氧銅材料。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層，其所述的放射性廢物處置容器厚度為150～300mm。

本發明所述的一種帶有增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的放射性廢物處置容器，該放射性廢物處置容器外表面涂覆有石墨烯涂層，所述的石墨烯涂層厚度為20～30μm，所述的放射性廢物處置容器為低碳鋼或無氧銅材料。

如上所述的一種帶有增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的放射性廢物處置容器，其所述的放射性廢物處置容器厚度為150～300mm。

本發明所述的任一增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其包括如下步驟：

(a)將一定量的氧化石墨烯加入到一定量水溶液中，通過輻射氧化處理，使石墨烯均勻分散于水性體系中并還原部分氧化石墨烯，形成石墨烯分散液；

(b)對放射性廢物處置容器外表面進行表面處理，去除低碳鋼或無氧銅表面的氧化層；

(c)將步驟(a)所得的氧化石墨烯涂覆于經步驟(b)表面處理所得的放射性廢物處置容器表面；

(d)將步驟(c)的帶有氧化石墨烯涂層的放射性廢物處置容器置于惰性氣體保護的環境下，在150～300℃進行熱處理3-5小時，從而去除氧化石墨烯中的水分并將氧化石墨烯還原成石墨烯，使石墨烯牢固的結合在放射性廢物處置容器表面。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其重復步驟(c)至步驟(d)，通過多次涂覆及熱處理，使放射性廢物處置容器表面的石墨烯涂層的厚度達到20～30μm。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其步驟(a)所述的輻射氧化處理具體為在500～1000Gy/h的劑量下進行γ射線照射，照射時間為35～70個小時。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其步驟(a)所述的將一定量的氧化石墨烯加入到一定量水中，兩者具體質量比為1:(5×10⁶～1×10⁷)。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其步驟(d)所述的惰性氣體為氬氣。

如上所述的一種增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層的制備方法，其步驟(b)所述的表面處理為打磨、噴砂、或電鍍。

本發明的效果在于：

本發明將石墨烯作為涂層增加于放射性廢物處置容器表面形成石墨烯涂層，依靠石墨烯自身良好的物理化學性能，不僅能夠提高處置容器的耐腐蝕性能和強度，而且還能及時將高放廢物玻璃固化體或乏燃料的衰變熱及時導出，從而提高處置容器的性能和壽命，減少后續工程屏障和天然屏障的復雜程度，降低高放廢物的處置費用。

本發明中所提供的含石墨烯涂層的處置容器與當前的純金屬處置容器相比，有以下優點：

(1)由于石墨烯具有良好的耐腐蝕性，因此能夠提高處置容器的整體耐腐蝕性能，降低腐蝕速率，在模擬地質處置環境下(大γ輻照劑量(3MGy)、高溫(170℃)、周圍用含水率為20％左右的膨潤土包覆)，含石墨烯涂層的金屬腐蝕速率為純金屬的10％以下，增強了處置容器的耐腐蝕性能，大大延長了處置容器的使用壽命；

(2)增加處置容器自身的導熱性能，含石墨烯涂層的處置容器導熱性能增加40％以上，能夠讓高放廢物和乏燃料的衰變熱快速的傳導至周圍環境中；

(3)通過增加處置容器的耐腐蝕性能，從而大大延長處置容器的使用壽命，可以適當減少后續工程屏障的復雜程度，降低高放廢物地質處置總成本，增加總體安全性。

附圖說明

圖1為單層石墨烯及其衍生物示意圖；

圖2為本發明的石墨烯涂層示意圖。

圖中：1.石墨烯涂層；2.放射性廢物處置容器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明所述的增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層作進一步描述。

實施例1

本發明所述的增強耐腐蝕及導熱性能和耐大劑量γ輻照的石墨烯涂層，如圖2所示，該石墨烯涂層1厚度為20～30μm(例如：20μm、25μm或30μm)，涂敷于放射性廢物處置容器2外表面，所述的放射性廢物處置容器為低碳鋼或無氧銅材料。

所述的放射性廢物處置容器厚度為150～300mm(例如：150mm、200mm或300mm)。

實施例2