辐照导致硼硅酸盐玻璃机械性能变化的组分相关性研究

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随着核能领域技术的发展和核电站的广泛投入使用,玻璃固化逐渐成为当今世界上被公众接受度最高的一种固化高放废物的方式。硼硅酸盐玻璃是一种主要由二氧化硅、氧化硼和氧化钠等组成的玻璃,具有优良的性能并且在许多领域都得到了广泛的应用,同时也适用于乏燃料后处理产生的高放废物(HLW)的固化。但是在长期的地质处置环境中,硼硅酸盐玻璃不可避免地将遭受高放废物中放射性核素和裂变碎片产生的各种辐照损伤。因此研究硼硅酸盐玻璃的辐照损伤行为及组分相关性对评估玻璃固化体在长期服役环境中的辐照稳定性和提升玻璃固化体的抗辐照性能具有重要意义。由于实际的玻璃固化体是应用在复杂的辐射场中,因此通过研究多粒子辐照效应可以更好地模拟玻璃的实际辐照工况并为玻璃机械性能的演化机制提供新的见解。在本文的辐照实验研究中,选择了不同种类和剂量的离子以及电子,并分为单次和双粒子顺次辐照三种不同组分的硼硅酸盐玻璃以进一步研究玻璃在混合辐射场下的损伤行为。辐照粒子包括8 Me V Au3+离子、0.5 Me V He2+离子以及1.2 Me V的电子,在进行单次及顺次辐照后,先后对不同组分硼硅酸盐玻璃进行了纳米压痕和红外光谱测试,研究了玻璃样品辐照前后微观结构和机械性能的演化,并得到以下结论:1.本文通过纳米压痕测试分析了三种硼硅酸盐玻璃(NBS)在辐照下的机械性能变化。结果表明,单He离子辐照后三种玻璃的硬度均下降并趋于饱和,无明显组分依赖性。NBS1和NBS2玻璃的模量轻微下降,而NBS3玻璃则保持不变。2.单He离子辐照情形下三种NBS玻璃并未表现出自恢复效应。相反,在单Au离子辐照情况下观察到这种自恢复效应,这主要归因于He离子核碰撞作用远不如Au离子剧烈无法导致更大的级联位移密度,且对于温度的影响和辐照损伤也不如Au离子辐照剧烈。3.在双离子顺次辐照研究中,He离子诱导的部分恢复确实影响了NBS玻璃在离子顺次辐照下的机械性能进一步变化和其饱和损伤水平。对于不同的硼硅酸盐玻璃样品,随着离子注量增加,顺次辐照使损伤水平恢复到饱和损伤状态。4.对于电子-离子顺次辐照的三种NBS玻璃来说,其微观结构和机械性能的变化与玻璃组分有关。在电子预辐照的NBS1和NBS2玻璃中,顺次He离子辐照的硬度和模量变化表现为损伤促进。相反,在NBS3玻璃中观察到明显的恢复效应。顺次辐照下机械性能变化的这种差异与NBS3玻璃的组成及其相分离特性有关。此外,电子辐照诱导的预存响应可能会在NBS玻璃的顺次辐照中引起更剧烈的协同效应,并改变模量变化的最终平衡水平。
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