二维MXene材料的放射性重金属核素吸附及辐照损伤特性的理论研究

The disposing technology of nuclear waste is one of the most important problems in the healthy sustainable development process of nuclear energy science. The key factor is how to separate the valuable long half-life radioactive heavy metal nuclide from spent fuel, for the purpose of recycling or storing. The present project will adopt newly emerging two dimensional MXene monolayers as adsorption materials for radioactive heavy metal nuclides. The adsorption properties of uranium and plutonium on various kinds of MXene monolayers, such as Ti2C, V2C, Sc2C, and Nb2C, as well as their passivated forms, will be systematically investigated by using computational simulation with density functional theory, ab-initio molecular dynamics and quantum transportation method. Including feasibility analysis of using MXene monolayers as adsorption materials for radioactive heavy nuclides; Structure stability and properties changing after saturated adsorption; Irradiation damage effect induced by radioactive decay; Possible factor which could influence the adsorption behavior and whether the adsorption process is controllable. The present work will provide a new solution for the disposing and reprocessing industry of nuclear waste, and promote the development and application of these newly emerging two dimensional materials.

放射性核废料的后处理技术，一直是核能科学健康可持续发展过程中急需解决的重要问题之一。其中的关键环节，在于如何将长半衰期放射性重金属核素从核废料中分离出来，从而实现回收再利用或永久封存。本项目拟采用新型二维MXene材料作为放射性重金属核素的吸附材料，并通过计算机模拟的方式，从多个层面，结合第一性原理，量子分子动力学，量子输运等方法，对包括Ti2C、V2C、Sc2C和Nb2C在内的多种二维MXene材料，及其表面钝化产物的铀/钚等放射性重金属核素吸附特性进行系统研究。主要包括：将MXene用于放射性重金属吸附的可行性分析；饱和吸附之后MXene的结构稳定性以及性质变化；放射性核素的衰变对MXene的辐照损伤效应及损伤后的吸附效率变化；吸附行为受到哪些因素影响，吸附过程是否具有选择性与可控性等。预期这些研究工作将为核废料的后处理过程提供理论预测，并推动这种新型二维材料的发展与应用。

放射性核废料的后处理技术，一直是核能科学健康可持续发展过程中急需解决的重要问题之一。其中的关键环节，在于如何将长半衰期放射性重金属核素从核废料中分离出来，从而实现回收再利用或永久封存。本项目采用新型二维MXene材料作为放射性重金属核素的吸附材料，并通过计算机模拟的方式，从多个层面，结合第一性原理，量子分子动力学，量子输运等方法，对Ti2C、V2C、Cr2C这三种二维MXene材料，及其表面钝化产物的铀/钚等放射性重金属核素吸附特性进行系统研究，并重点研究了MXene材料抗辐照特性和铀吸附特性研究。研究结果标明，Ti2C和V2C均具备较好的结构稳定性和抗缺陷产生能力，且在存在辐照损伤缺陷的情况下依然保持了较好的铀吸附能力，因此比较适合用于辐照环境下的放射性核素后处理过程。此外，本项目还以二维石墨烯体系为代表，通过第一性原理结合非平衡格林函数的方法，研究辐照损伤缺陷对二维材料电子输运特性的影响影响规律。计算结果表明，缺陷对二维材料的电流-漏源电压曲线的影响明显受到缺陷构型和尺度的调控，该研究成果为二维材料的辐照损伤程度及缺陷种类判断提供了一条全新的思路。以上成果进一步推动了新型二维材料在核能等领域的实际应用。