高放核廢料納米陶瓷固化體的輻照自修復行為研究

《高放核廢料納米陶瓷固化體的輻照自修復行為研究》是依託四川大學，由盧鐵城擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：高放核廢料納米陶瓷固化體的輻照自修復行為研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：盧鐵城
• 依託單位：四川大學

項目摘要

陶瓷固化逐步成為解決高放核廢料處置和存儲的候選方案，被遴選出了幾種抗輻照能力強的候選材料，但輻照非晶化、輻照相變和腫脹等依然是其套用中的致命問題。而申請者基於其在納米陶瓷和輻照效應交叉學科上的研究基礎，認為納米陶瓷晶界多、界面能高，輻照α粒子能量沉積在晶界處的幾率大，對晶粒本身輻照非晶化影響相對較小，氦泡聚集引起的材料腫脹也多發生在晶界處，輻照損傷在納米陶瓷中顯著弱化，導致納米陶瓷和傳統陶瓷在輻照下具有完全不同的效應，加上β衰變引起的熱效應，甚至會有效增強其中缺陷的自組織和自修復能力。本申請項目重點研究三種當前最重要的核廢料固化用納米陶瓷，通過綜合輻照模擬實驗，獲得α衰變致非晶化、腫脹的機制，探索β衰變引起再結晶的“自我修復”的機理，根據複合損傷效應實驗（移位效應、氦效應和熱效應的耦合效應），遴選出自我修復能力強的高抗輻照納米陶瓷，為熱態實驗和未來核廢料處置套用奠定學術和技術基礎。

結題摘要

陶瓷固化逐步成為解決高放核廢料處置和存儲的候選方案，國際上遴選出了幾種抗輻照能力強的候選材料，但輻照非晶化、輻照相變和腫脹等依然是其套用中的致命問題。本項目提出了納米陶瓷固化體來解決以上問題，主要是基於：納米陶瓷中可以作為輻照缺陷吸收“陷阱”的晶界面積大，對晶粒本身輻照非晶化影響相對較小；氦泡聚集引起的材料腫脹多發生在晶界處，腫脹在納米結構固化體中顯著弱化；間隙原子型點缺陷擴散到晶界處後甚至會反擴散回晶粒內部和空位點缺陷複合，從而使納米結構具備更強的輻照缺陷自修復能力；β衰變引起的電離激發效應和熱效應，也會有效增強固化體的晶體結構自修復能力。本項目主要研究內容是從三種當前最重要的核廢料固化中遴選出高放核廢固溶量大，抗輻照性能出色的Gd2Zr2O7，合成納米結構陶瓷，通過綜合輻照（α，β，Kr+）實驗，模擬研究納米結構固化體在α衰變離子作用下的微觀結構和缺陷變化（如相變或非晶化、間隙點缺陷團、空位聚集形成的空洞、輻照腫脹等）及其與晶粒尺寸的關係，並探索β衰變引起再結晶的“結構自修復”機理，提出抗輻照的晶界最佳化設計方案。研究結果表明納米結構相比微米結構具有更好的缺陷自修復和結構自修復能力，且晶粒尺寸存在優選範圍（約48nm），本研究也首次獲得了易於工業化生產的納米陶瓷燒結燒結技術。以上結果對於預測核廢料固化中可能發生的輻照損傷現象具有現實意義，為載核素熱態實驗和未來核廢料處置套用奠定了學術和技術基礎。所以本研究不僅具有學術意義，也具有潛在套用價值。