论文部分内容阅读
核电是当今社会十分重要的一种能源,但是核电的发展也产生了很多放射性废物,这些放射性废物对环境的危害巨大,对放射性废物的处理问题亟待解决。目前,高放射性废物（HLW）固化然后进行深地质处置是国际上得到广泛应用的方法,而硼硅酸盐玻璃是唯一在工业上得到大规模应用的固化材料。玻璃固化体要在地下深层长期储存,因此研究硼硅酸盐玻璃在辐射环境下的性能变化对高放射性废物的安全处置意义重大。为了研究辐照前后硼硅酸盐玻璃的宏观性能与微观结构的变化,本工作首先炼制了八种不同组分的硼硅酸盐玻璃,利用纳米压痕技术、红外光谱（FTIR）以及拉曼光谱（Raman）分别表征了样品的硬度与模量以及微观结构,探究了未辐照的玻璃机械性能与微观结构的联系。使用0.3 MeV的P离子、4 MeV的Kr离子、5 MeV的Xe离子以及8 MeV的Au离子四种离子分别辐照硼硅酸盐玻璃,对辐照后样品的硬度和模量进行了纳米压痕测试。辐照后样品的微观结构使用掠入射X射线衍射仪（GIXRD）和拉曼光谱（Raman）进行了表征,并对辐照后玻璃的微观结构与宏观性能的关系进行了分析与讨论,结果发现:（1）、硼硅酸盐玻璃硬度和模量随着SiO2/B2O3增大不断增加,样品的硬度和模量分别从SNBS1玻璃的3.95 GPa和44.85 GPa上升到SNBS8玻璃的6.54 GPa和71.73 GPa。同时玻璃的密度也出现了比较大的增长,SNBS1-SNBS8玻璃的密度由2.16 g/cm3上升至2.35 g/cm3。（2）、未辐照的玻璃样品硬度和模量变化与样品中的硅元素和硼元素均有一定的关系。随着硅含量的增加,Si-O-Si结构单元不断增多,玻璃内部网络结构性更好,样品的硬度与模量也随之增加。随着硼含量的减少,样品中的[BO3]结构数量减少,[BO4]结构数量增多,硼的网络结构由原来的平面结构转为立体结构,从而引起样品硬度与模量的增加。（3）、重离子辐照后硼硅酸盐玻璃硬度和模量明显下降,硬度与模量呈现出先减少后趋于饱和的变化规律,四种离子造成的整体的硬度和模量下降趋势基本一致,低能量的离子和高能量的离子对样品的损坏大致相同,NBS2玻璃经重离子辐照后硬度减小了35%,模量减小了18%。（4）、引起辐照后玻璃的硬度与模量减小的主要因素是核能损。此外,玻璃被重离子辐照后网络结构遭到破坏,玻璃的无序度增加。（5）、在室温下辐照时采用的离子种类、能量以及辐照剂量不会造成样品的晶化,辐照后硼硅酸盐玻璃仍保持非晶状态。本工作对未辐照玻璃机械性能的变化做了一定研究,这有助于设计出性能更为优异的玻璃固化体材料。此外,本工作发现辐照剂量相同时,低能量的离子和高能量的离子对样品的损坏大致相同,以后的辐照实验中我们或许可以选择用低能量的离子来研究样品的辐照效应,这可以较好的降低研究成本。本文对于理解高放废物处置过程中玻璃固化体机械性能的变化也具有重要参考价值。