[发明专利]一种铁基铁酸镝材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及属于核电站反应堆技术领域，具体涉及一种铁基铁酸镝材料及其应用。

背景技术

在核电站运行过程中，一般通过调节控制棒和改变硼酸浓度实现反应堆负荷跟踪控制。控制棒是中子吸收体，它的移动速度快，操作可靠，使用灵活，控制反应性的准确度高。而改变硼酸浓度可以实现对反应性的慢变化控制。

核电站反应堆的开、停和功率调节主要由控制棒控制。一旦发生核电事故，控制棒会自动快速下落，使反应堆内的链式裂变反应停止，以保障安全。控制棒的常用中子吸收材料有碳化硼(B₄C)、Ag-In-Cd、硼钢、以及它们的组合体等。而以B₄C和硼钢材料为代表的中子吸收材料容易在服役过程中出现较严重的辐照损伤，这主要是由于B¹⁰的(n,α)反应所产生氦和肿胀所致。另外此类材料会在反应堆严重事故条件下与高温高压的蒸汽发生强放热性氧化反应，产生氢气，严重时发生氢爆。Ag-In-Cd属于强中子吸收体，服役过程中，其微小的移动会带来反应性的较大幅度改变，一般需要改变硼酸浓度以配合其移动。但利用改变冷却水中的硼酸浓度来追随负载的方法，会产生大量废水，从而增加企业成本，同时采用该方法对反应性调节的时间长。因此，在核反应堆中设计采用弱中子吸收体芯块用于控制棒中代替以调节硼酸浓度方法实现对核反应性的微量控制与调节。

镝具有五种中子吸收截面相对较大的稳定同位素，在进行核反应后热中子吸收截面不会发生突变，利于稳定控制核反应性。镝的嬗变产物的γ活性低，半衰期短，对堆芯设备的损害小。Dy₂TiO₅块体作为控制棒的中子吸收材料已经在一些核电站得到了应用，其核心是利用镝元素的优越核子特性。从平衡相图可以得知Dy₂TiO₅具有三种晶体结构，包括正交晶体结构(0～1350℃)、六方晶体结构(1350℃～1680℃)和立方晶体结构(萤石结构)(1680℃～1870℃)。萤石结构的块体材料的抗辐照性能最好，相同辐照条件下其辐照肿胀率和辐照生长率最低，且辐照稳定好，辐照过程中不会发生晶体结构的转变。而在辐照条件下正交晶体结构的Dy₂TiO₅在非晶化之前会发生晶型转变，由正交晶体结构转变为萤石结构，晶体结构的改变会引起块体材料的体积、热导率和热膨胀系数的变化。因此研究者们致力于获得萤石结构的Dy₂TiO₅块体材料，但由于萤石结构属于高温相，而控制棒长期服役的温度低于1000℃，因此即使制备得到高温萤石结构的Dy₂TiO₅块体，在服役过程中势必会转变为低温正交晶体结构，这不利于核反应的稳定性与安全性。核反应堆控制棒用中子吸收材料芯块的另外一个重要特性要求是芯块的热传导性优越，以便在服役过程中由于中子反应在芯块中生成的热量能及时传导出去，保证核反应的安全性，而Dy₂TiO₅陶瓷芯块的热传导性相对较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种铁基铁酸镝材料及其应用，利用该铁基铁酸镝材料制备得到的铁基铁酸镝芯块能够作为核反应堆控制棒中的优良中子吸收体，且设备、工艺简单，易操作，可控性优越，制备成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种铁基铁酸镝材料，所述铁基铁酸镝材料由铁基及弥散于铁基中的铁酸镝(DyFeO₃)组成，且铁酸镝与铁基的质量比为1:0.8～1:6.2。所述弥散于铁基中的铁酸镝可以是p型铁酸镝。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种由上述材料制成的铁基铁酸镝芯块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：

一种制备上述铁基铁酸镝芯块的方法，包括：