【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料及其制备方法，属于核能与核。
技术介绍
1、核电站通常是利用控制棒组件的提升和插入来控制反应堆的功率。核电站所使用的控制棒一般分为两类，黑控制棒和灰控制棒。灰控制棒的中子俘获体的俘获能力较弱，因此其反应性价值比黑控制棒要低。但是，在反应堆运行期间，如果运用机械补偿(mshim)的运行模式进行反应性控制，要求灰控制棒的中子俘获体的俘获能力长时间保持稳定。
2、核反应堆的控制棒束包壳中所装载的中子俘获体从材料的形式上主要分为金属基和陶瓷基(或粉末)两类。陶瓷类的中子俘获材料包括基于硼的中子俘获材料，例如天然及b10的富集碳化硼(b4c)，硼酸等以及基于镧系稀土的中子俘获材料。稀土金属和一元稀土氧化物虽然理论上满足灰控制棒对中子俘获价值方面的要求，但工程上无法满足中子俘获材料规格尺寸，稳定性等要求，而且存在严重自屏蔽效应。如纯金属tm棒(密度9.32g/cm3)作为灰控制棒的芯体时，计算芯体直径仅为3mm，明显小于内径9mm的包壳管，且金属稀土稳定性较差，易被氧或氢(水汽)腐蚀造成损伤。
3、钙钛矿结构和石榴石结构的稀土铝酸盐陶瓷化学、高温稳定性及抗氧化明显优异(cn102534789.a)，而目前钙钛矿相，石榴石相稀土铝酸盐陶瓷及晶体主要用于光学薄膜领域(cn202110408169.0)，在灰控制棒中子俘获材料领域还未见相关研究报道。另一方面，可通过同族稀土的取代进行不同稀土元素的掺杂，从而可以设计具有不同中子俘获(俘获)价值和特性的材料，为控制棒设计
技术实现思路
1、为此，本专利技术提供了一种稀土铝酸盐陶瓷灰控制棒中子俘获材料及其制备方法。
2、一方面，本专利技术提供了一种稀土铝酸盐陶瓷灰控制棒中子俘获材料，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的化学组成为lnaxlnb1-xalo3或/和lna3ylnb3-3yal5o12；其中，lna为tm3+、tb3+、dy3+、gd3+、sm3+、eu3+中的至少一种，lnb为pr3+，la3+中至少一种，0＜x＜0.5，0＜y≤0.5；优选地，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料以陶瓷块体形式存在。
3、本公开中，本专利技术人选择pr和la，二者的热中子俘获截面为11.4和8.98靶恩，是17种镧系稀土中除y，ce以外热中子俘获截面最小的。从核物理上来讲是一种较为合适的稀释元素。al和o的中子俘获截面很小，在本专利技术中通过形成的铝氧四面体和八面体提供了稳定的晶体结构。相较于粉体形式的中子俘获材料，本专利技术的稀土铝酸盐陶瓷具有更高的结构和空间稳定性，并具有优异的热物性和力学性能。本专利技术通过在钙钛矿相或石榴石相的稀土铝酸盐陶瓷中引入含有不同中子俘获截面的tm(105靶恩)、tb(23靶恩)、dy(950靶恩)、gd(4.9×104靶恩)、sm(5900靶恩)、eu(4570靶恩)等的一种或几种。利用这些稀土元素组合的俘获截面和俘获谱线特性，形成不同俘获特性且结构稳定的中子俘获材料，应用于反应堆的灰控制棒中子俘获材料制造。
4、具体地，本公开的稀土铝酸盐陶瓷(lnaxlnb1-xalo3或lna3ylnb3-3yal5o12)包含lnb稀土镨(pr)，镧(la)作为稀释元素或第一组份，稀土lna铥(tm)、铽(tb)、镝(dy)、钆(gd)、钐(sm)、铕(eu)等作为俘获元素或第二组份。稀土铝酸盐的晶型为钙钛矿相(lnalo3)或石榴石相(ln3al5o12)。稀土铝酸盐陶瓷的相对致密度在96～100％。第一组份和铝酸盐结构可调节第二组份元素引入的中子俘获性能，化学和晶体结构稳定的钙钛矿晶体结构(abo3)或石榴石结构(a3b5o12)和镧系稀土离子相似化学特性，结合致密先进陶瓷的力学和热物性为第二组份元素提供载体和基础。这些稀土元素由于具有不同的中子俘获截面和特性，可以根据反应堆核物理的要求，设计不同反应性价值的材料组成。另一方面，通过采用两步法和添加烧结助剂和粘结剂等制备得到一类具有结构稳定的稀土基陶瓷中子俘获体。
5、较佳的，0＜x＜0.5或0＜y≤0.5。
6、较佳的，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的晶相为钙钛矿相或/和石榴石相。
7、较佳的，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的形状为圆柱或圆环；
8、所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的相对密度为96～100％；
9、所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的增重速率不超过3.26×10-3mg/(cm2·h)。
10、另一方面，本专利技术提供了一种稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的制备方法，包括：
11、(1)按照所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的化学组成为lnaxlnb1-xalo3或/lna3ylnb3-3yal5o12分别称取lna的氧化物粉体、lnb的氧化物粉体和氧化铝粉体并混合，再经煅烧和细化处理，得到原料粉体；所述原料粉体包含lnaxlnb1-xalo3粉体或/和lna3ylnb3-3yal5o12粉体；
12、(2)将原料粉体、烧结助剂和粘结剂混合，得到混合粉体；
13、(3)将混合粉体经压制成型、脱粘和烧结，得到稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料。
14、较佳的，步骤(1)中，所述煅烧的温度为1000～1300℃，时间为2～4小时；所述原料粉体的粒径为100nm～3μm。
15、较佳的，步骤(2)中，所述烧结助剂为氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化硅前驱体、氧化镁前驱体中至少一种；所述烧结助剂加入量为原料粉体质量的0.05～2wt％；
16、优选地，所述氧化硅前驱体选自硅酸、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯中的至少一种；
17、优选地，所述氧化镁前驱体选自氢氧化镁、氧化镁、碳酸镁中的至少一种。
18、又，较佳的，当烧结助剂含有氧化硅和氧化硅前驱体中至少一种时，加入量为原料粉体质量的0.2～1％；
19、当烧结助剂含有氧化镁和氧化镁前驱体时，加入量为原料粉体质量的0.05～1％。
20、较佳的，步骤(2)中，所述粘结剂为酚醛树脂，pvb，pva中的至少一种；所述粘结剂的加入量为原料粉体和烧结助剂总质量的1～5wt％。
21、较佳的，步骤(3)中，所述压制成型的方法为先干压成型再等静压成型或直接等静压成型；所述干压成型的压力为10～100mpa，所述等静压成型的压力为150～200mpa；所述直接等静压成型的压力为100～150mpa。
22、较佳的，步骤(3)中，所述脱粘的温度为600～800℃，时间为1～3小时。
23、较佳的，步骤(3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的化学组成为LnaxLnb1-xAlO3或Lna3yLnb3-3yAl5O12；其中，Lna为Tm3+、Tb3+、Dy3+、Gd3+、Sm3+、Eu3+中的至少一种，Lnb为Pr3+，La3+中至少一种，0＜x＜0.5，0＜y≤0.5；优选地，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料以陶瓷块体形式存在。
2.根据权利要求1所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，0＜x＜0.5或0＜y≤0.5。
3.根据权利要求1或2所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的晶相为钙钛矿相或石榴石相。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的形状为圆柱或圆环；
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的制备方法，其特征在于，包括：
6
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烧结助剂为氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化硅前驱体、氧化镁前驱体中至少一种；所述烧结助剂加入量为原料粉体质量的0.05～2wt％；
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当烧结助剂含有氧化硅和氧化硅前驱体中至少一种时，加入量为原料粉体质量的0.2～1％；
9.根据权利要求5-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述粘结剂为酚醛树脂，PVB，PVA中的至少一种；所述粘结剂的加入量为原料粉体和烧结助剂总质量的1～5wt％。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述压制成型的方法为先干压成型再等静压成型或直接等静压成型；所述干压成型的压力为10～100MPa，所述等静压成型的压力为150～200MPa；所述直接等静压成型的压力为100～150MPa；
...【技术特征摘要】
1.一种稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的化学组成为lnaxlnb1-xalo3或lna3ylnb3-3yal5o12；其中，lna为tm3+、tb3+、dy3+、gd3+、sm3+、eu3+中的至少一种，lnb为pr3+，la3+中至少一种，0＜x＜0.5，0＜y≤0.5；优选地，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料以陶瓷块体形式存在。
2.根据权利要求1所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，0＜x＜0.5或0＜y≤0.5。
3.根据权利要求1或2所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的晶相为钙钛矿相或石榴石相。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料，其特征在于，所述稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的形状为圆柱或圆环；
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的稀土铝酸盐致密陶瓷灰控制棒中子俘获材料的制备方法，其特征在于，包括：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：张兆泉，范武刚，陈芙梁，卢俊强，王晓姣，康龙武，李聪，梁锁贤，朱丽兵，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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