1 核反应堆用非金属矿物材料

核反应堆堆本体是一个复杂的多层次结构的组合体,由堆芯、石墨反射层、防护层、实验管道等4部分组成。常用的非金属矿物材料有石墨、硼镁石、硬硼钙石、重晶石、蛇纹石等。

石墨:石墨在热中子反应堆中用作慢化剂和反射层,每座反应堆需用高纯石墨数十吨。在铀-石墨反应堆内,用石墨块砌成砌体,工艺管道通过其中。作核反应堆用高纯石墨,主要指标为:灰分含量≤0.054%～0.16%,硼的含量≤4×10-5%。对密度、抗压强度、线膨胀系数、热导率都有具体标准。

硼镁石、硬硼钙石、重晶石、蛇纹石:核反应堆采用多层屏蔽方式,以屏蔽热能和多种射线,屏蔽中子需要含氢材料,屏蔽γ射线需要高密度材料。硼镁石、硬硼钙石含有吸收中子截面大的硼,又富含水分,在300℃不脱水,故选用100mm厚的硼镁石预制块靠近活性区堆砌。选用重晶石和结晶水适当且在350℃不失水的蛇纹石等作加重水泥骨料制作重混凝土屏蔽层,这对γ射线有良好的屏蔽作用。加重混凝土的密度要求为3.7～4.8g/cm3。

2 核废料处置用非金属矿物材料

一座核电站每年产生高强度的放射性废气达数万至数十万立方米,以及大量的高、中、低放射性固体及液体废物。为了保证核电站及周围环境不受放射性污染,必须对核废料进行处置。

放射性碘的处置:核反应堆及元件后处理厂放出的废气、废水中含大量的放射性碘,是污染环境的主要放射性核素之一。在高温和废气中存在强氧化性气体的情况下,不宜采用活性碳过滤器,而使用渗银沸石作为过滤材料,它在较高的温度和湿度下,对元素碘和碘甲烷均有良好的过滤效果,但价格较昂贵。现已对其他非金属矿物材料进行试验研究。

137Cs处理与回收:137Cs的处理与回收不仅可以得到有用的放射性同位素,还可为241～243Am,242～244Cm等超钚元素的分离提取创造了有利的条件。大量试验表明,在1mol/LHNO3酸性介质中,斜发沸石对Cs的回收率达99%,产品的放射化学纯度达99%,但斜发沸石的抗酸能力差。

高放废液的玻璃固化:高放废物的处置有多种方法,其中较成熟并在工程中实用的是玻璃固化法。常用的是磷酸盐或硼酸盐玻璃。其方法是将高放废液与制玻璃的几种非金属矿物原料(可用珍珠岩等)按比例混合,进行蒸发、煅烧、熔融,经过复杂的高温反应熔制成玻璃,废液中的放射性元素成为玻璃组分而被固定。

核废料地质处置库区的回填材料:膨润土是吸附核废料中一些裂变元素的理想材料。在水可以通过膨润土的前提下,这些核素在膨润土中的迁移速度极小,仅为10-3～10-4cm/min,由于膨润土的吸水性及膨胀性可以阻止和堵塞水流,因此放射性核素几乎全部被膨润土吸附和阻滞,它既可阻止地下水进入核废料埋藏区,又可以阻止核素材料外泄,是一种十分理想的回填材料。

3 放射源制备中应用的非金属矿物材料

辐射效应在化工加工、生产、材料改性、培育品种、灭菌消毒、肿瘤治疗和三废治理等方面应用广泛,其优势也是其他技术不能相比的。现代核工业的发展,为制备放射源提供了数十种核素用来制备α源、γ源、β源、低能光子源、中子源等。可用陶瓷法、人工合成铯榴石法、压制法、粉末冶金法、电煅法等制备。可用陶瓷微球法制备210Po、238Pu、239Pu、241Am、244Am等α放射源,用人工合成铯榴石法制备137Csγ放射源,将石英粉、石墨粉等与241Am一起压制制备低能光子源等。