一种耐腐蚀铝酸盐中子吸收材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐腐蚀铝酸盐中子吸收材料及其制备方法，所述铝酸盐中子吸收材料的化学成分包括(Re2O3)

【技术实现步骤摘要】
一种耐腐蚀铝酸盐中子吸收材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料领域，涉及一种耐腐蚀铝酸盐中子吸收材料及其制备方法，可用于核反应堆控制棒和中子屏蔽材料。

技术介绍

[0002]作为核反应堆的控制棒材料需要具有较大的中子吸收截面、长寿命、抗辐照以及较好的力学性能。目前常用的核反应堆控制棒中子吸收材料包括碳化硼(B4C)、金属铪(Hf)、银-铟-镉(Ag-In-Cd)合金以及钛酸镝(Dy2O
3-TiO2)等。碳化硼材料成本低、易于获取，其优良的中子吸收能力来源于B-10的大中子吸收截面。它的缺点是B-10吸收中子后会转变为Li和氦气，而氦气累积引发的辐照肿胀可能导致包壳材料破损。金属铪棒的同位素的中子吸收截面均较高，物理化学稳定性高，不需要包壳且不产生半衰期很长的γ射线，因此铪作为控制棒吸收体材料寿期长，缺点是提纯和加工过程复杂，驱动结构载荷大(密度13.31g/cm3)，目前多用于舰艇核反应堆。Ag-In-Cd合金对较宽能量范围的中子具有较好的吸收效果，但Ag-In-Cd吸收价值有限，且熔点仅800℃左右，对大功率的压水堆而言安全裕量小。Dy2TiO5已被用于俄罗斯VVER-1000核反应堆控制棒中作为吸收体材料。钛酸盐基陶瓷材料具有良好的抗中子辐照性能，并耐水腐蚀，但面临着吸收价值不足的问题。
[0003]理想的中子吸收材料，除具备较高的材料吸收价值外，同时还要在包壳破损下具备较强的耐水(冷却剂)或蒸汽腐蚀性能。因此，开发新型控制棒材料具有重要意义。从结构稳定性、耐水腐蚀等方面考量，稀土铝酸盐具有较好的性能和应用前景。以铝和稀土元素(包括Y)组成的单相铝酸盐陶瓷GdAlO3,TbAlO3以及多元素固溶的(Tm,Dy,Y)AlO3等作为优良的激光和发光材料进行了大量研究和应用，但尚未验证作为中子吸收材料的可行性。
[0004]选择热中子吸收截面大、反应性价值消耗慢的单个元素或多个元素组合作为主吸收元素是控制棒材料设计的重要方向。大多数稀土元素均具有优异的中子吸收能力，用于控制棒材料具有广阔应用前景。如专利CN103374678A提出采用铽，铽合金等作为吸收剂，专利CN102576574A提出采用铥为吸收体材料，可以使控制棒组件获得超过20年的使用寿命。专利CN102915773A提出引入Ta元素可以提高抗辐照和抗蠕变性能，并延长控制棒寿期。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种吸收价值高且具有优异耐腐蚀性能的稀土铝酸盐陶瓷材料，同时提供一种工艺简单、综合低成本的可行的制备工艺。
[0006]本申请提供一种耐腐蚀铝酸盐中子吸收材料，所述铝酸盐中子吸收材料的化学成分包括(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
，其中Re选自稀土元素中的至少一种，优选自Dy、Tm、Gd、Ce、La、Tb中的至少一种，X＝0.2～0.8。
[0007]上述中子吸收材料以稀土元素为中子吸收剂，以铝和氧为结构稳定剂形成的稳定结构化合物，能够满足作为长寿期的容错型中子吸收材料的需求，力学性能优良、耐亚临界水或蒸气腐蚀、中子吸收剂含量高、热震性能好，是一种理想的核反应堆控制棒吸收体材
料。
[0008]较佳地，所述铝酸盐中子吸收材料为烧结体，优选地，所述烧结体的致密度不低于95％。
[0009]第二方面，本申请提供一种铝酸盐中子吸收材料的制备方法，包括以下步骤：按照(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
化学计量比称取稀土原料和铝原料、以及烧结助剂，并混合均匀，得到混合粉体，其中，所述烧结助剂含Mg、Si、Ca元素中的至少一种，烧结助剂的质量百分比为0～5％；将所得混合粉体成型得到坯体；将所得坯体烧结。
[0010]较佳地，所述稀土原料选自Re元素的氧化物、金属、氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐中的至少一种。
[0011]较佳地，所述混合均匀包括将称取的原料在转速为80～300r/min的条件下进行球磨细化0.5～12小时，并搅拌均匀。
[0012]较佳地，所述成型包括：将颗粒干压后冷等静压，干压压力为30～100MPa，冷等静压压力为150～250MPa。
[0013]较佳地，将所得颗粒烧结时的温度范围为1500～1700℃，烧结时间2～12h。
附图说明
[0014]图1是按实施例1得到的GdAlO3样品的照片。
[0015]图2是通过单组件基准问题采用确定论程序进行计算分析的按实施例1得到的GdAlO3样品中子吸收性能。
[0016]图3是按实施例2得到的Gd4Al2O9的XRD谱图。
[0017]图4是按实施例2得到的Gd4Al2O9经过360℃腐蚀100h后的样品照片。
[0018]图5是按实施例3得到的DyAlO3热震前后的样品照片。
[0019]图6是通过单组件基准问题采用确定论程序进行计算分析的按实施例3得到的DyAlO3中子吸收性能。
具体实施方式
[0020]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0021]在此公开一种稀土铝酸盐陶瓷中子吸收材料。它的组成包括(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
(Re代表Dy,Tm,Gd或其它镧系元素如Tb,Ce,La等的一种或几种)，X＝0.2～0.8。
[0022]上述中子吸收材料具有耐腐蚀性，在300～360℃亚临界水或模拟压水堆冷却剂溶液中腐蚀后结构保持完整。
[0023]一些实施方式中，所述中子吸收材料还包括作为烧结助剂引入的Mg、Si、Ca元素中的至少一种。作为烧结助剂引入的元素的质量分数优选为不大于2％。
[0024]一些实施方式中，所述中子吸收材料为烧结体，其相对致密度95％以上。
[0025]一些实施方式中，所述中子吸收材料为陶瓷材料，其组成包括(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
(Re代表Dy,Tm,Gd或其它镧系元素如Tb,Ce,La等的一种或几种，X＝0.2～0.8，以下简称“稀
土铝酸盐化合物”)。
[0026]在此还公开一种耐腐蚀稀土铝酸盐陶瓷中子吸收材料的制备方法。将含有铝化合物和稀土化合物的原料经过细化、混合、添加助剂、干燥、成型，再经高温烧结获得陶瓷，其相对致密度可为95％以上。以下示例性说明该制备方法。
[0027]按照(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
(X＝0.2～0.8)称取含Al化合物和含稀土元素化合物作为原料。含Al化合物可选自氧化铝、氢氧化铝、碳酸铝等中的至少一种。含稀土元素化合物可选自稀土氧化物、氢氧化物、硝酸盐等中的至少一种。
[0028]优选技术方案中，为促进烧结，原料还包括烧结助剂，烧结助剂可以是含铝、镁、硅的化合物，例如二氧化硅、正硅酸乙酯、硅酸、氧化镁、碳酸镁、氢氧化镁、三氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝酸盐中子吸收材料，其特征在于，所述铝酸盐中子吸收材料的化学成分包括(Re2O3)
X-(Al2O3)
1-X
，其中Re选自稀土元素中的至少一种，X=0.2～0.8。2.根据权利要求1所述的铝酸盐中子吸收材料，其特征在于，Re选自Dy、Tm、Gd、Ce、La、Tb中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的铝酸盐中子吸收材料，其特征在于，所述铝酸盐中子吸收材料为烧结体。4.根据权利要求3所述的铝酸盐中子吸收材料，其特征在于，所述烧结体的致密度不低于95%。5.一种权利要求1所述的铝酸盐中子吸收材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照化学计量比称取稀土原料和铝原料、以及烧结助剂，并混合均匀，得到混合粉体，其中，所述烧结助剂含Mg、Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆泉，范武刚，陈向阳，卢俊强，王晓姣，梁锁贤，李聪，朱丽兵，
申请(专利权)人：上海核工程研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：