一种乏燃料干式贮存容器用混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及核电产业领域，具体涉及一种乏燃料干式贮存容器用混凝土及其制备方法。

背景技术

随着全球核电产业的快速发展，在建和在运机组逐渐增多，从堆芯卸出的高放射性乏燃料的综合处理问题变的日益突出。根据IAEA的统计，到目前为止全球核电厂已经产生了超过35万吨的乏燃料，预计到2020年全球乏燃料量将达到44.5万吨。目前乏燃料的处理方式分为湿法贮存和干式贮存两种，湿法贮存即水池储存，我国乏燃料主要采取湿法贮存处置方法，但现有的贮存水池已经接近饱和，不能满足日益增加的乏燃料处置需求；干式贮存的贮存容器为金属容器或混凝土容器，外部通过金属或者混凝土来提供放射性屏蔽，内部通过自然或强制性流动气体来冷却乏燃料。由于乏燃料干式贮存处置方法具有贮存灵活性强、运行管理与监控简单、无二次核废料、维护成本低、操作与及安全性强的优势，已经在国际上被大力发展使用。

在乏燃料干式贮存处置方法中，以混凝土容器的成本最低。由于乏燃料干式贮存用混凝土长期处于内部辐照及高温、外部腐蚀性介质侵蚀及环境作用的协同作用，对混凝土在设计年限内综合性能的长期稳定是巨大的挑战。而目前市面上乏燃料干式贮存用混凝土的综合性能仍有待提高，提供一种既耐高辐照、长期高温和外部腐蚀，又能保持自身力学性能稳定的混凝土具有非常显著的现实意义、经济效益和社会效益。

发明内容

本申请通过提供一种乏燃料干式贮存容器用混凝土及其制备方法，解决了现有技术中乏燃料干式贮存容器用混凝土综合性能低的问题，本申请提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土既耐高辐照、长期高温和外部腐蚀，又能保持自身力学性能稳定。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，所述的混凝土包括胶凝材料、细集料、粗集料、水、复合纤维和减水剂；其中，所述胶凝材料为水泥，或水泥与活性粉体的混合物；所述的乏燃料干式贮存容器用混凝土的各组分的配比为：水泥150-360kg/m³、活性粉体0-330kg/m³、细集料450-640kg/m³、粗集料832-1024kg/m³、水66-150kg/m³，复合纤维的体积掺量为所述的混凝土总体积的0.3％-2.5％，减水剂的质量掺量为所述的混凝土总质量的1.5％-2.5％。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的性粉体为硅灰、矿渣粉或粉煤灰中的一种或多种。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的水泥为P.I.型、P.II.型或P.S.型水泥中的一种或多种，所述水泥的强度等级不低42.5。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的细集料为普通河砂，所述细集料的细度模数为2.60-3.20。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的粗集料为花岗岩类、石灰岩类、玄武岩类或含硼类碎石中一种或多种，所述粗集料的颗粒级配为5-10mm和10-20mm级配，且最大粒径不超过20mm。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的复合纤维为钢纤维和聚丙烯纤维的混合物；其中，所述的钢纤维的体积掺量为所述的混凝土的总体积的0.2～2.0％，所述的聚丙烯纤维的体积掺量为所述的混凝土的总体积的0.1～0.5％；所述钢纤维的长度为12-14mm，抗拉强度≥2850MPa；所述聚丙烯纤维的长度为6-19mm，断裂强度≥688MPa。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的减水剂为液体聚羧酸系减水剂，所述减水剂的减水率不低于30％。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土，其中所述的混凝土经1*10¹⁵n的中子及2.4*10⁷Gy的γ射线辐照后，强度降低＜10％，经800℃火灾后强度降低＜10％，导热系数不低于1.82W/(m·℃)，混凝土密度大于2350kg/m³，抗压强度不小于30MPa。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。

依据本发明提出的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法，根据前述任一项所述的混凝土，所述的制备方法包括以下步骤：将所述的粗集料、细集料和复合纤维进行第一搅拌，得到第一中间体；向所述的第一中间体中加入所述的胶凝材料，并进行第二搅拌，得到第二中间体；向所述的第二中间体中加入所述的减水剂和水，并进行第三次搅拌，即得到所述的乏燃料干式贮存容器用混凝土。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法，其中所述的第一搅拌、第二搅拌或第三搅拌在强制式搅拌机中进行，所述的第一搅拌或所述的第二搅拌的搅拌时间为30～60s，所述的第三搅拌的搅拌时间为50～180s。

借由上述技术方案，本发明一种乏燃料干式贮存容器用混凝土及其制备方法，至少具有下列优点：

1、本发明提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土具有很强的耐辐射性。

乏燃料，又称为辐照核燃料，是经受过辐射照射、使用过的核燃料。乏核燃料中包含有大量的放射性元素，因此具有放射性，如果不加以妥善处理，会严重影响环境与接触它们的人的健康。因此，用于贮存乏燃料的容器需具有很强的耐辐射性能，才能保护环境和人类免受乏燃料的危害。

现有技术中，虽然记载了具有耐辐射性能的混凝土的制备方法，但是，由于应用环境不同，辐射源和辐射强度不同，现有的耐辐射混凝土并不能直接应用于本发明记载的乏燃料干式贮存容器的制备。本发明提供的混凝土，经中子1*10¹⁵n及γ射线2.4*10⁷Gy辐照后，强度降低量小于10％。可见，本发明提供的混凝土，具有很强的耐辐射性能，可用于作为制备乏燃料干式贮存容器的原料，且，用本发明制备得到的乏燃料干式贮存容器，安全性高，符合对乏燃料干式贮存容器的安全性的要求。

2、本发明提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土具有很强的耐高温、耐火性能。

乏燃料干式贮存容器的应用环境比较特殊，其在应用过程中，长期处于内部高温环境及极限条件下的火灾状况，这就要求乏燃料干式贮存容器需选择特殊的胶凝和增强材料，以提升高温甚至火灾条件下混凝土水化结构的稳定性。

本发明提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土，具有很强的耐高温和耐火性能，其耐高温性能表现为，可在300℃条件下维持40小时；其耐火性能表现为，经800℃火灾后强度降低小于10％，可见，本发明提供的混凝土，同时具有很强的耐高温和耐火性能，可用于作为制备乏燃料干式贮存容器的原料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

本发明提供了一种乏燃料干式贮存容器用混凝土。

作为乏燃料的贮存容器用混凝土，需同时满足强耐辐射性能、耐高温和耐火灾性能。现有技术中，虽然也记载了具有辐射、或耐高温性能的混凝土，但是，本发明提供的混凝土的应用环境的特殊性，其辐射源和辐射强度不同，因此，不能将现有的混凝土直接应用于乏燃料干式贮存容器的制备。

本发明提供的混凝土，同时具备很强的耐辐射、耐高温和耐火灾性能，符合制备乏燃料干式贮存容器的安全性的要求，适用于乏燃料干式贮存容器的制备。

进一步的，本发明提供的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土中，所述活性粉体为硅灰、矿渣粉或粉煤灰中的一种或多种；水泥为P.I.型、P.II.型或P.S.型水泥中的一种或多种，所述水泥的强度等级不低42.5。

本发明的活性粉体，与水泥一起，作为混凝土的胶凝材料。活性粉体材料的颗粒小，可以填充水泥空隙，并与水泥的水化产物反应，使混凝土更致密。

水泥的水化产物是混凝土强度的重要来源，也是抵抗各种侵蚀的重要屏障。例如，水泥可提升混凝土在高温下的性能保持能力。但并非所有的水泥都可满足本发明对耐高温、耐火性能的需要。本发明选用的P.I、P.II或P.S.型水泥的水化产物及形成的致密水化结构可对腐蚀性介质和放射性介质的入侵起到抵抗和屏蔽作用。

水泥组成可提高高温及侵蚀环境下混凝土的性能保持能力。本发明进一步限定水泥和活性粉体的类型，有利于提高对混凝土的胶凝效果，并进一步提高混凝土的强度。

进一步的，本发明提供的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土中，所述细集料为普通河砂，所述细集料的细度模数为2.60-3.20。所述粗集料为花岗岩类、石灰岩类、玄武岩类或含硼类碎石中一种或多种，所述粗集料的颗粒级配为5-10mm和10-20mm级配，且最大粒径不超过20mm。

相对于细集料，粗集料的颗粒较大，是混凝土结构的骨架，因此，粗集料也可称为骨料。在低、中强度等级混凝土中，粗集料和水泥浆体的界面是薄弱区，而在高强混凝土中，粗集料往往会成为最先破坏的区域。

本发明混凝土属于高强混凝土，因此，必须选择和设计合理的粗集料体系。本发明选用的粗集料为花岗岩类、石灰岩类、玄武岩类或含硼类碎石中一种或多种，符合乏燃料干式贮存容器对强度的要求，优选的，所述的粗集料为硼类碎石，或者，上述包含硼类碎石的组合物，含硼类石子可提升混凝土的耐辐射性能。

进一步的，本发明提供的一种乏燃料干式贮存容器用混凝土中，复合纤维为钢纤维和聚丙烯纤维的混合物；其中，所述的钢纤维的体积掺量为所述的混凝土的总体积的0.2～2.0％，所述的聚丙烯纤维的体积掺量为所述的混凝土的总体积的0.1～0.5％；所述钢纤维的长度为12-14mm，抗拉强度≥2850MPa；所述聚丙烯纤维的长度为6-19mm，断裂强度≥688MPa。

纤维可以增强混凝土的抗裂能力，减少因水泥收缩而产生的裂缝，以及高温及火灾条件下气体传输的通道，从而提升混凝土的抗高温性能。优选的，钢纤维可提升混凝土的强度、韧性及抗冲击性能，避免乏燃料干式贮存容器在意外事故时发生核废料泄漏；聚丙烯纤维下混凝土的抗爆裂性能，可提升高温或火灾条件。采用钢纤维和聚丙烯的组成可综合实现混凝土在乏燃料贮存的高温及辐照条件下的韧性、抗爆裂及抗冲击性能。

实施例1

本实施例提供了一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成及其制备方法。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成见表1。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法为：将本实施例采用的粗集料、细集料和复合纤维在强制式搅拌机中进行第一搅拌，搅拌时间为60s，得到第一中间体；向所述的第一中间体中加入本实施例采用的胶凝材料，在强制式搅拌机中进行第二搅拌，搅拌时间为60s，得到第二中间体；向所述的第二中间体中加入本实施例采用的减水剂和水，在强制式搅拌机中进行第三搅拌，搅拌时间为180s，即得到本实施例所述的乏燃料干式贮存容器用混凝土。

本实施例制备得到的混凝土的物理性能见表2。

实施例2

本实施例提供了一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成及其制备方法。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成见表1。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法为与实施例1相同或做适当调整。

本实施例制备得到的混凝土的物理性能见表2。

实施例3

本实施例提供了一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成及其制备方法。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成见表1。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法为与实施例1相同或做适当调整。

本实施例制备得到的混凝土的物理性能见表2。

实施例4

本实施例提供了一种乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成及其制备方法。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的组成见表1。

本实施例提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的制备方法为与实施例1相同或做适当调整。

本实施例制备得到的混凝土的物理性能见表2。

表1实施例1-4提供的乏燃料干式贮存容器用混凝土的组分

表2实施例1-4制备得到的混凝土的物理性能

通过表2的数据可以看出，本发明制备得到的乏燃料干式贮存容器用混凝土，具有很强的耐辐射、耐高温和耐火性能，符合乏燃料干式贮存容器对混凝土性能的要求。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。需要说明的是，实施例1-4只是本发明的实用案例，本发明提供的其他的组分及组分的含量，虽然未在实施例中体现，但也可以实现本发明创造。

可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、或者对其的描述中。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的装置中的部件进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以把实施例中的部件组合成一个部件，以及此外可以把它们分成多个子部件。除了这样的特征中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要)中公开的所有特征以及如此公开的任何装置的所有部件进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以它们的组合实现。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或组件。位于部件或组件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件或组件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的装置来实现。在列举了若干部件的权利要求中，这些部件中的若干个可以是通过同一个部件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。例如，“复合纤维的体积掺量为所述的混凝土总体积的0.3％-2.5％”，此数值范围包括0.3％-2.5％之间所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值(例如：0.5％、1.0％)组成的范围值(0.5％-1.0％)；本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。