氧化钆中子吸收材料制备及性能研究

摘要

在稀土元素中，钆的平均中子吸收截面为36300Barn，热中子能量为1E-4～1E-1eV时，其中子吸收截面为1×103～8×105Barn。钆通常以氧化钆(Gd2O3)的形式存在，利用Gd2O3良好的中子吸收性和耐高温性，可将其用作核反应堆中的中子吸收材料。本文采用微波辅助溶液燃烧法合成纳米Gd2O3粉体，并研究了Gd203陶瓷的制备工艺，采用蒙特卡罗软件模拟了Gd2O3陶瓷和丁基橡胶基Gd2O3中子屏蔽材料的中子吸收性能。
　　以微米级Gd2O3为原料，并溶解于硝酸中作为氧化剂，分别以柠檬酸、醋酸和草酸为螫合剂，采用微波辅助溶液燃烧法制备前驱体，煅烧后制得纳米Gd2O3粉体。分别研究了柠檬酸、醋酸、草酸三种螯合剂对微波燃烧过程的影响。结果表明，相对于草酸和醋酸，柠檬酸作为螯合剂时，有机/无机杂化程度高。当Gd3+∶柠檬酸摩尔比为6∶2时制备的前驱体表现出均匀疏松且多孔的网状结构，此结构有利于制得分散性良好的纳米Gd2O3粉体。煅烧制度对Gd2O3粉体结晶性及粒径影响的研究表明:800℃保温120min所得Gd2O3呈现单一立方晶相，结晶性优良。Gd2O3粉体颗粒呈球形，平均粒径约为25nm。
　　分别以Dy2O3、CeO2、Y2O3、YAG作为烧结助剂，在空气气氛中烧结制备了Gd2O3陶瓷。研究了烧结制度（烧结温度、保温时间）和烧结助剂对Gd2O3陶瓷相对密度、力学性能（显微硬度、弯曲强度、断裂韧性）、热学性能（热导率、热膨胀系数）的影响。研究结果表明，纯Gd2O3陶瓷在1600℃、保温2h烧结时，其相对密度为93.79％，显微硬度、弯曲强度、断裂韧性分别为3.8GPa、162.50MPa、3.53MPa·m1/2。以Dy2O3、CeO2、Y2O3、YAG分别作为烧结助剂，都能显著促进Gd2O3陶瓷的烧结致密化。当YAG的添加量为3wt.％时Gd2O3陶瓷的相对密度、显微硬度、弯曲强度、断裂韧性分别可达97.38％、8.9GPa、300.23MPa、3.94MPa·m1/2。纯Gd2O3陶瓷的热导率和平均热膨胀系数分别为3.01W/(m·K)、2.52×10-6K-1(40～950℃)。当YAG添加量为9wt.％时，热导率可达4.61W/(m·K)。当Y2O3添加量为3wt.％时，Gd2O3陶瓷平均热膨胀系数为2.64×10-6K-1。综合考虑Gd2O3陶瓷的相对密度、力学性能和热学性能，添加3wt.％YAG的Gd2O3陶瓷综合性能较佳。MCNP模拟结果表明，在热中子(1E-4～1E-1eV)辐照下，当Gd2O3陶瓷相对度由90％升高到100％时，吸收体的中子吸收率由86.1％升高至88.8％，控制棒的中子吸收率由50.7％升高至54.2％。
　　以丁基橡胶为基体，聚乙烯为快中子慢化剂，氢氧化铝为阻燃剂，炭黑为补强剂，分别以纳米级Gd2O3和微米级Gd2O3为中子吸收剂，制备了中子屏蔽材料。研究结果表明:Gd2O3粉体粒径和含量对中子屏蔽材料的力学性能和中子吸收性能有较大影响。Gd2O3含量在0vol.％～3vol.％的范围内，随着含量的增加，材料的中子吸收率逐渐增大，添加纳米Gd2O3粉体时中子吸收率可达99.8％。相反，随着Gd2O3含量的增加，材料的力学性能逐渐下降。在添加纳米Gd2O3量为3vol.％时，屏蔽材料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度分别从0％时的12.45MPa，670.8％，84.89kN/m分别下降至9.65MPa，611.5％，69.10kN/m;添加微米级Gd2O3粉体3vol.％时分别下降至8.78MPa，582.1％，66.89kN/m。综合考虑力学性能和中子吸收性能，选择添加1.5vol.％纳米Gd2O3粉，能制得更好性能的中子屏蔽材料，拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度分别为10.79MPa，634.1％，71.23kN/m。
　　高性能Gd2O3陶瓷以及丁基橡胶基Gd2O3中子屏蔽材料的制备，将拓展Gd2O3在核反应堆、核电站、核燃料处理工厂以及加速器等中子屏蔽方面的应用。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 中子吸收材料简介

1．2．1 中子吸收机理

1．2．2 中子吸收材料研究进展

1．3 稀土中子吸收材料

1．4 纳米氧化钆粉体的制备及应用

1．5 蒙特卡罗中子吸收性模拟

1．6 本文的研究目的、意义及内容

1．6．1 研究目的及意义

1．6．2 主要研究内容

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验设备

2．2 实验过程

2．2．1 微波辅助溶液燃烧法制备纳米氧化钆粉体制备过程

2．2．2 氧化钆陶瓷的制备过程

2．2．3 丁基橡胶基氧化钆中子屏蔽材料的制备过程

2．3 性能测试及模拟

2．3．1 致密度测定

2．3．2 粒度分析

2．3．3 热重差热分析

2．3．4 物相分析

2．3．5 扫描电镜(SEM)分析

2．3．6 傅立叶红外光谱(FT-IR)分析

2．3．7 力学性能测试

2．3．8 热学性能测试

2．3．9 蒙特卡罗中子吸收性能模拟

第三章 微波辅助溶液燃烧法制备纳米氧化钆粉体研究

3．2 螯合剂种类及用量对Gd2O3制备的影响

3．3 煅烧制度对氧化钆粉体物相的影响

3．3．2 保温时间对氧化钆粉体物相的影响

3．4 本章小结

第四章 氧化钆陶瓷制备工艺及性能研究

4．1 试样制备

4．2 烧结制度、烧结助剂对氧化钆陶瓷相对密度影响

4．2．1 烧结制度对氧化钆陶瓷相对密度的影响

4．2．2 烧结助剂对氧化钆陶瓷相对密度影响

4．3 烧结助剂对氧化钆陶瓷力学性能的影响

4．3．2 烧结助剂对氧化钆陶瓷弯曲强度的影响

4．3．3 烧结助剂对氧化钆陶瓷断裂韧性的影响

4．4 烧结助剂对氧化钆陶瓷热学性能的影响

4．4．1 烧结助剂对氧化钆陶瓷热导率的影响

4．4．2 烧结助剂对氧化钆陶瓷热膨胀系数的影响

4．5 氧化钆陶瓷相对密度对中子吸收率的影响

4．6 本章小结

第五章 丁基橡胶基氧化钆中子屏蔽材料研究

5．1 吸收体的制备

5．1．1 原料的选择

5．1．2 试样的制备

5．2 中子吸收性模拟

5．3 力学性能测试

5．4 本章小节

6．1 本文结论

6．2 本文主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ：攻读硕士学位期间发表的论文及成果