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非金屬礦物在核工業領域的應用

 1  核反應堆用非金屬礦物材料

核反應堆堆本體是一個復雜的多層次結構的組合體,由堆芯、石墨反射層、防護層、實驗管道等4部分組成。常用的非金屬礦物材料有石墨、硼鎂石、硬硼鈣石、重晶石、蛇紋石等。

石墨:石墨在熱中子反應堆中用作慢化劑和反射層,每座反應堆需用高純石墨數十噸。在鈾-石墨反應堆內,用石墨塊砌成砌體,工藝管道通過其中。作核反應堆用高純石墨,主要指標為:灰分含量≤ 0.054%~ 0.16% ,硼的含量≤ 4× 10-5%。對密度、抗壓強度、線膨脹系數、熱導率都有具體標準。

硼鎂石、硬硼鈣石、重晶石、蛇紋石:核反應堆采用多層屏蔽方式,以屏蔽熱能和多種射線,屏蔽中子需要含氫材料,屏蔽γ射線需要高密度材料。硼鎂石、硬硼鈣石含有吸收中子截面大的硼,又富含水分,300℃不脫水,故選用100 mm厚的硼鎂石預制塊靠近活性區堆砌。選用重晶石和結晶水適當且在350℃不失水的蛇紋石等作加重水泥骨料制作重混凝土屏蔽層,這對γ射線有良好的屏蔽作用。加重混凝土的密度要求為3.7~ 4.8 g /cm3

2 核廢料處置用非金屬礦物材料

一座核電站每年產生高強度的放射性廢氣達數萬至數十萬立方米,以及大量的高、中、低放射性固體及液體廢物。為了保證核電站及周圍環境不受放射性污染,必須對核廢料進行處置。

放射性碘的處置:核反應堆及元件后處理廠放出的廢氣、廢水中含大量的放射性碘,是污染環境的主要放射性核素之一。在高溫和廢氣中存在強氧化性氣體的情況下,不宜采用活性碳過濾器,而使用滲銀沸石作為過濾材料,它在較高的溫度和濕度下,對元素碘和碘甲烷均有良好的過濾效果,但價格較昂貴。現已對其他非金屬礦物材料進行試驗研究。

137Cs處理與回收137 Cs的處理與回收不僅可以得到有用的放射性同位素,還可為241243 Am,242244Cm等超钚元素的分離提取創造了有利的條件。大量試驗表明,1 mol/LHNO3酸性介質中,斜發沸石對Cs的回收率達99% ,產品的放射化學純度達99% ,但斜發沸石的抗酸能力差。

高放廢液的玻璃固化:高放廢物的處置有多種方法,其中較成熟并在工程中實用的是玻璃固化法。常用的是磷酸鹽或硼酸鹽玻璃。其方法是將高放廢液與制玻璃的幾種非金屬礦物原料(可用珍珠巖等)按比例混合,進行蒸發、煅燒、熔融,經過復雜的高溫反應熔制成玻璃,廢液中的放射性元素成為玻璃組分而被固定。

核廢料地質處置庫區的回填材料:膨潤土是吸附核廢料中一些裂變元素的理想材料。在水可以通過膨潤土的前提下,這些核素在膨潤土中的遷移速度極小,僅為10-3 10-4 cm/min,由于膨潤土的吸水性及膨脹性可以阻止和堵塞水流,因此放射性核素幾乎全部被膨潤土吸附和阻滯,它既可阻止地下水進入核廢料埋藏區,又可以阻止核素材料外泄,是一種十分理想的回填材料。

3 放射源制備中應用的非金屬礦物材料

輻射效應在化工加工、生產、材料改性、培育品種、滅菌消毒、腫瘤治療和三廢治理等方面應用廣泛,其優勢也是其他技術不能相比的。現代核工業的發展,為制備放射源提供了數十種核素用來制備α源、γ源、β源、低能光子源、中子源等。可用陶瓷法、人工合成銫榴石法、壓制法、粉末冶金法、電煅法等制備。可用陶瓷微球法制備210 Po238Pu239 Pu241 Am244 Am等α放射源,用人工合成銫榴石法制備137 Csγ放射源,將石英粉、石墨粉等與241 Am一起壓制制備低能光子源等。

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