聚乙烯、聚丙烯及乙丙橡胶低剂量率β射线静态辐照效应研究

Materials irradiation effects are most important and directly related to the safety and reliability of nuclear reactors. Therefore, before using in nuclear power plants, the materials must be able to withstand high energy ionizing rays irradiation test. Polymer material is one of the essential materials in the nuclear power plant. After exposed to high energy rays, polymer molecules will produce ionization, excitation, a series of physical and chemical changes to occur, which will cause the crystallinity, strength, elongation, hardness, density and other physical performance change of polymeric materials. The third-generation nuclear power technology demand severe requirements on irradiation test for materials using in the nuclear island. A new static low dose rate beta-ray irradiation test has been added. Because of greatly difference between low dose rate beta-ray irradiation test conditions and the past, it is very necessary to thoroughly investigate the irradiation effect of polymer materials via static low dose rate beta-ray. Focusing on different dose rate, different absorption dose, different atmosphere, and different irradiation test temperature, this project will carry out systematical and overall research into the polyethylene, polypropylene and ethylene propylene rubber materials structure and performance changes law before and after static low dose rate beta ray irradiation and its mechanism. From this project it is able to achieve that the performance assessment of these polymer materials in the plant, thus to promote the development of corresponding research area.

材料辐照效应至关重要，直接关系核反应堆的安全性和可靠性。核电站上的材料必须要进行高能电离射线辐照考验。高分子聚合物材料，也是核电站中不可或缺材料之一。高分子聚合物受到高能辐射作用时，分子内部会产生电离、激发，从而发生一系列物理及化学变化，导致聚合物材料在结晶度、硬度、密度、强度、断裂伸长率等物性方面的改变。三代核电对核电材料的辐照考验提出了更加苛刻的要求，增加了低剂量率β射线静态辐照考验，和以往β射线辐照实验条件相差巨大，非常有必要系统开展各种材料的低剂量率β射线静态辐照效应研究。本项目拟通过对不同剂量率、不同吸收剂量、不同温度、不同气氛等辐照条件的筛选，系统全面的研究聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和乙丙橡胶（EPR）材料在低剂量率β射线静态辐照前后结构及性能的变化，掌握这些高分子材料的低剂量率β射线静态辐照效应规律及其机理，有效地评估这些材料在核电站中使用情况，推动相应研究领域发展。

核用电缆在反应堆核岛中使用时，不仅要耐受全寿命期堆内低剂量的射线辐照，同时要保证在失水事故工况较短时间高剂量β射线、γ射线等的辐照下保持功能。聚烯烃具有优良的电绝缘性、耐化学腐蚀性能，被广泛应用于核用电缆领域，因此，以聚烯烃为基材的核用电缆耐辐照性能研究是一项必须开展的工作。同时，以AP1000为代表的第三代核电技术对核用电缆耐辐照考验提出更高要求，除γ射线辐照考验外，还需要进行β射线低剂量率辐照考验，核用电缆耐辐照性的系统研究亟待完善，特别是聚烯烃材料在低剂量率β射线（用电子束模拟）下的辐照效应缺乏相应实验数据和机理分析。聚烯烃的β射线辐照效应研究对于完善耐辐照机理、开发高性能核用电缆材料具有重要理论价值和应用指导意义。本项目以三种典型聚烯烃—低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）和乙丙橡胶（EPDM）的辐照效应为研究对象，主要通过对辐照过程中吸收剂量、射线种类、环境气氛及温度造成的影响展开研究，分析研究了辐照效应、结构与性能三者间的关系，揭示了辐照条件对聚烯烃辐射化学反应的影响，研究表明，当吸收剂量为较低时，LDPE以辐射交联为主，当剂量大于200 kGy时，由于氧化降解程度开始提高；而PP以辐射降解为主，当吸收剂量达到400 kGy时支化反应逐渐占主导。当吸收剂量相同时，不同射线对三种聚烯烃材料性能劣化的程度：γ射线˃EB-ldr（低剂量率电子束）˃EB-hdr（高剂量率电子束）；不同辐照条件对LDPE与PP结构与性能的影响对比表明，环境气氛对聚烯烃辐照效应影响最大O2 > Air> N2，射线种类与剂量率次之，温度影响最小。同时研究证明，流变学方法对表征聚烯烃分子拓扑结构变化具有更高敏感度。掌握这些高分子材料的β射线辐照效应规律及其机理，对于完善聚烯烃辐照效应、提高材料耐辐照性与在反应堆核岛中的使用安全性具有重要的理论价值和应用指导意义，有效地评估这些材料在核电站中使用情况，推动相应研究领域发展。