金属裂变产物在核石墨上的吸附和扩散的理论研究

发布时间：2020-07-30 15:00

【摘要】：第四代核反应堆具有高固有安全性、核燃料可循环和物理防止核扩散等优点，核石墨在反应堆中扮演中子慢化剂、反射层和堆芯结构材料等角色，它具有高慢化比、低热膨胀系数、耐高温、耐热冲击等优异性能。第四代反应堆之一的氟盐冷却高温堆（FHR）采用多层碳化硅、石墨包覆的颗粒燃料（TRISO）作为核燃料。反应堆在极端条件下，放射性金属裂变产物可能从燃料芯核中释放出来，直接与作为慢化剂、反射层以及裂变产物屏障的核石墨相互接触，核石墨在中子辐照下不可避免地产生缺陷，因此理解放射性裂变产物与缺陷石墨之间的相互作用对第四代反应堆的安全评估具有非常重要的意义。由于铯（Cs）、锶（Sr）和银（Ag）是典型的放射性金属裂变产物，且具有较长的半衰期。因此，本论文基于密度泛函理论，对金属裂变产物Cs、Sr和Ag与石墨表面的相互作用机理做了探索性的研究。首先，研究了Cs、Sr和Ag与完美石墨表面和缺陷石墨表面的相互作用。发现在完美石墨表面上Cs和Sr是化学吸附，最稳定的位置是六元环中心，而Ag是物理吸附。在缺陷石墨表面上缺陷结构对Cs、Sr和Ag具有更强的吸附作用。通过微动弹性带方法研究了Cs、Sr和Ag在石墨表面上的扩散过程，发现在完美石墨上Cs和Sr尤其是Cs很容易扩散，在缺陷石墨上缺陷形成了一个束缚位，将原子束缚在缺陷区域。核电是保障国家能源安全、促进节能减排的重要手段，随着核能渐渐地广泛使用，以及核事故所导致严重后果，放射性核废料的处理和处置已成为全世界关注的焦点。碳纳米管具有高的机械强度和弹性、高的比表面、强的吸附能……等优良性质，是放射性核素预浓缩的优秀候选者。目前，中国科学院等离子体物理研究所王祥科课题组将碳纳米管应用于核废料的治理，取得了很好的结果，因此本论文还研究了Cs和Sr与不同直径扶手椅型的单壁碳纳米管的相互作用。对比了Cs和Sr在（6，6）、（7，7）和（8，8）上的吸附参数，发现Cs和Sr在碳纳米管内部吸附比外部更稳定，随着碳纳米管直径的越来越大，吸附原子在碳纳米管内、外表面的吸附能量之差越来越小，最终趋近于吸附原子在石墨烯上的吸附能。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL342

【参考文献】