文档介绍：第 31 卷第 2 期
2014 年 6 月
原子核物理评论
Nuclear Physics Review
Vol. 31, No. 2
June , 2014
文章编号: 1007-4627(2014) 02-0189-06
硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应
段丙皇,陈亮,王铁山,彭海波,张根发,杨坤杰
( 兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000 )
摘要: 在高放废物长期地质处置过程中,作为第一层工程屏障的固化体玻璃会受到持续的电子辐照, 研究其电子辐照效应对高放废物的长期安全处置具有重要的意义。在透射电子显微镜(TEM) 上对硼硅酸盐玻璃样品进行原位电子辐照实验。在电子束的作用下,两种硼硅酸盐玻璃均很快发生相分离现象, 这主要是由于电离作用导致Na 的迁移或逃逸引起网络体结构重组的结果。引入简单的结构模型解释了两种不同组分硼硅酸盐玻璃相分离的不同,结果表明,相分离的不同与玻璃组分中Na 成分的多少密切相关。
关键词: 硼硅酸盐玻璃;电子辐照;相分离;钠迁移;透射电子显微镜
中图分类号: O571 文献标志码: A DOI: .
1 引言
近年来,随着人类对能源需求的日益迫切,核能作为传统能源的重要组成部分正在被大力发展。核电的大力发展会产生大量放射性强、发热率高、毒性大、腐蚀性强的高放射性废物,而对这些废物的处理,国际上(包括我国在内) 通常的做法是“玻璃固化-地质处置”。在深层地质处置的前几百年里,玻璃固化体中包含的放射性核素(如137Cs和90Sr,其半衰期分别为 年和 年) 通过β衰变会对固化体玻璃自身产生大剂量的电子辐照。所以研究硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应对于高放废物的长期安全处置具有重要的参考意义。
材料辐照效应是由入射粒子与材料原子的相互作用导致的,它包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程,而这些过程会引起辐照肿胀、辐照生长和微观结构的变化。玻璃辐照效应的具体表现由其成分、结构和成键共同决定。硅酸盐玻璃是由硅氧四面体[SiO4] 之间以顶角相连(即两个 Si 四面体共用一个 O ) 组成的复杂三维网络体结构。原本四面体中每个 O 为两个 Si 原子所共用(称之为桥氧,即 BO),由
于 Na2O 成分的加入,这时就会出现与一个 Si 原子和一个 Na 原子键合的氧(称之为非桥氧,即 NBO)。 Na 离子处于 NBO 附近的网穴中,且与氧的结合力较弱,因此在玻璃结构中活动性很大。在一定条件下, Na 可以从一个网穴转移到另一个网穴甚至逃逸出玻璃体。 Na 的迁移或逃逸与玻璃的电子辐照效应密切相关。
国外做了大量电子辐照玻璃的研究,国内在这方面研究相对很少。玻璃的电子辐照效应主要包括气
泡生成[1]和相分离[2−3]。这里所说的气泡被普遍认为
是氧泡,其产生可能与玻璃网络中碱金属(如 Na) 迁移有关[4]。相分离是指各向均匀的玻璃网络中形成新的微相。相分离的出现会改变玻璃的物理特性,并降低其化学稳定性。 Howitt 等[3]通过透射电子显微镜(TEM) 研究过硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应。另外,Jiang 等[5]结合环形暗场(ADF) 和电子能量损失谱(EELS) 技术进一步研究过几种玻璃在电子辐照下的相