本发明涉及中子屏蔽材料多目标优化设计与制备，特别涉及中子屏蔽材料优化设计方法与基于增材制造工艺的中子屏蔽材料制备方法。
背景技术：
1、近年来我国核工业快速发展，在建核电机组规模世界第一，到2035年核电发电量将比2022年翻倍。核反应堆运行会产生大量乏燃料，伴随核电规模扩大难以避免的会带来乏燃料的快速增加，亟需重视乏燃料带来的安全、环保问题。乏燃料属于高放废料，会释放出大量具有极强穿透能力的中子，对核工业设备电子器件会造成严重的辐射损伤，而且乏燃料大量贮存还要防止发生临界，因此需要使用中子屏蔽材料对产生中子的放射源进行屏蔽，保护核工业设备与工作人员的安全。
2、目前常用的铝基中子屏蔽材料力学性能与耐腐蚀性能差。中子屏蔽材料设计需要考虑中子屏蔽性能、吸收中子后产生的次级γ光子、成形性、力学性能及耐腐蚀性等，过多的屏蔽元素会影响材料的力学性能与成形性，单独添加一种中子吸收元素无法实现多种设计目标，中子屏蔽材料的设计构成了一类多目标优化问题。为了综合考虑多种设计目标，需要搭配使用不同中子吸收元素作为基体材料的屏蔽增强体进行多目标优化设计。
3、核工业装备普通存在结构复杂、单件小批量的生产情况，传统的制造工艺不适用于核工业装备中子屏蔽结构件制备。铝基碳化硼中子屏蔽复合材料通常只作为板材，主要采用传统的粉末冶金工艺制备，无法适应于当前具有结构复杂核工业特种装备快速增长的需求。因此，为满足核工业发展对中子屏蔽材料的需求，需要设计与制备出屏蔽性能、力学性能等综合性能优秀的中子屏蔽材料。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种中子屏蔽复合材料的多目标优化设计方法，可用于含有多种中子屏蔽增强元素复合材料成分的优化计算，并提供了一种中子复合屏蔽材料的增材制造方法。
2、本发明提供一种中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，所述中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，包括以下步骤：
3、步骤1、建立中子屏蔽复合材料各组分含量多目标优化设计问题的目标函数、适应度函数及约束；
4、步骤2、产生初始种群，将初始种群进行二进制编码，通过二进制编码方法将中子屏蔽复合材料中b4c、gd及316l的含量范围与变化步长进行编码，建立辐射屏蔽计算程序的输入文件；
5、步骤3、优化过程中通过调用辐射屏蔽计算程序，根据输入文件参数进行计算获得该材料的中子透射率、次级γ光子产生率、b4c与gd的体积占比之和；
6、步骤4、利用得到的中子透射率、次级γ光子产生率、b4c与gd体积占比结果计算种群的目标函数值，判断是否满足约束条件，不满足则计算惩罚函数值；
7、步骤5、通过种群的选择、变异、交叉操作产生子代种群，判断是否达到最大迭代数。若已达到，则输出最后的子代种群，若没有达到，则利用该子代种群循环步骤2～步骤5；
8、步骤6、完成设置的迭代次数，得到屏蔽材料的设计方案，从中选择合适的方案进行材料后续材料制备；
9、步骤7、根据选定的中子屏蔽复合材料设计方案，将按照选定方案设计比例配置的b4c粉末、gd粉末及316l粉末混合均匀；
10、步骤8、使用混合均匀的粉末，通过定向能量沉积增材制造技术制备出该中子屏蔽复合材料，并对制备出的中子屏蔽复合材料进行微观组织观测与力学性能测试。
11、进一步地，步骤1中：采用b4c、gd等中子吸收截面高的材料在吸收中子时产生次级γ光子；通过权重因子加权将中子透射率、次级γ光子产生率、中子屏蔽增强材料体积占比乘以各自对应的权重因子后相加；约束条件包括b4c质量分数为40％的铝基碳化硼复合材料的中子透射率、次级γ光子产生率以及b4c、gd含量的取值范围约束。
12、进一步地：步骤2中，将b4c、gd及316l的含量范围与变化步长＝通过二进制方式进行编码，设置遗传算法参数，种群大小为32，交叉概率为0.6，总迭代次数110。
13、进一步地：步骤3中，编写基于蒙特卡罗的辐射屏蔽计算程序输入文件，设置好输入文件的放射源参数，包括种类、能量、粒子数；材料参数，包括成分、含量、密度、结构。
14、进一步地：步骤4中：使用辐射屏蔽计算程序对输入文件进行计算，得到中子透射率、次级γ光子产生率、b4c与gd体积占比，通过三个目标值计算每个种群的目标函数值，不符合约束条件则计算惩罚函数值。
15、进一步地：步骤5中，通过选择、变异、交叉遗传操作产生新的子代种群，利用子代种群更新父代种群，依次循环直到达到设置的迭代次数；完成进化代数后得到复合材料的优化设计方案。
16、进一步地：步骤6中，选择b4c、gd、316l质量分数分别为2％、2.2％、95.8％，使用粉末混合设备对按照确定比例称量好的粉末进行混合，得到混合均匀的粉末。
17、进一步地：步骤7中，将混合粉末作为原料，使用定向能量沉积增材制造系统制备中子屏蔽材料。
18、本发明达到的有益效果是：
19、本方法所述的中子复合屏蔽材料多目标优化设计方法可在设置的约束条件下自动进行材料的优化设计，获得综合考虑中子屏蔽率、次级γ光子产生率、成形性的优化设计方案。该设计方法将智能优化算法与中子屏蔽材料的屏蔽性能计算深度融合。
20、本方法所述的中子复合屏蔽材料增材制造方法使用了力学性能与耐腐蚀性能优良的316l为基体材料，具有良好中子吸收能力的gd与b4c为增强体。b4c吸收中子产生的次级γ光子少，但需要添加的含量高。gd中子吸收能力优于b4c但次级γ光子产生率高。同时使用两种中子吸收材料克服了使用单一材料的缺点，定向能量沉积增材制造技术可直接成形制备出具有复杂形状、大尺寸的中子屏蔽材料与零部件，减少后续的加工时间与成本。
1.一种中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤1中：采用b4c、gd等中子吸收截面高的材料在吸收中子时产生次级γ光子；通过权重因子加权将中子透射率、次级γ光子产生率、中子屏蔽增强材料体积占比乘以各自对应的权重因子后相加；约束条件包括b4c质量分数为40％的铝基碳化硼复合材料的中子透射率、次级γ光子产生率以及b4c、gd含量的取值范围约束。
3.根据权利要求1所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤2中，将b4c、gd及316l的含量范围与变化步长＝通过二进制方式进行编码，设置遗传算法参数，种群大小为32，交叉概率为0.6，总迭代次数110。
4.根据权利要求1所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤3中，编写基于蒙特卡罗的辐射屏蔽计算程序输入文件，设置好输入文件的放射源参数，包括种类、能量、粒子数；材料参数，包括成分、含量、密度、结构。
5.根据权利要求1所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤4中：使用辐射屏蔽计算程序对输入文件进行计算，得到中子透射率、次级γ光子产生率、b4c与gd体积占比，通过三个目标值计算每个种群的目标函数值，不符合约束条件则计算惩罚函数值。
6.根据权利要求1所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤5中，通过选择、变异、交叉遗传操作产生新的子代种群，利用子代种群更新父代种群，依次循环直到达到设置的迭代次数；完成进化代数后得到复合材料的优化设计方案。
7.根据权利要求6所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤6中，选择b4c、gd、316l质量分数分别为2％、2.2％、95.8％，使用粉末混合设备对按照确定比例称量好的粉末进行混合，得到混合均匀的粉末。
8.根据权利要求6所述的中子屏蔽复合材料多目标优化设计与制备方法，其特征在于：步骤7中，将混合粉末作为原料，使用定向能量沉积增材制造系统制备中子屏蔽材料。
