Gd2Zr2O7烧绿石的高温高压合成及固化模拟锕系核素的研究

本项目针对烧绿石家族成员之一Gd2Zr2O7，它具有耐高温、耐辐射、良好的化学耐久性和大的中子吸收截面，因而最有希望作为锕系核素（特别是钚）的固化基材。近十年来国外在其合成技术、结构表征以及性能等方面做了大量的科学研究，获得了大量的基础数据。但是，Gd2Zr2O7是一种难合成材料，过去的合成方法主要采用高温固相反应法、湿化学反应法或机械球磨法等传统方法，合成工艺复杂、耗时耗能。而我们以多年积累经验，用高温高压技术证实了在高温高压下30分钟内容易合成出单相的Gd2Zr2O7烧绿石。本项目拟在前期研究基础上系统地研究其合成工艺，进而用替代元素模拟锕系核素在Gd2Zr2O7中的固溶能力与赋存状态，并分析模拟固化体的结构与性能。该方法为加速锕系核素（包括替代模拟）固化的研究进程开辟了一条快速、高效的技术途径，同时为其它烧绿石结构物质的合成及其潜在应用研究提供一种新的技术方法。

烧绿石家族成员之一Gd2Zr2O7，具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射、良好的化学耐久性和大的中子吸收截面，因而有希望作为锕系核素（特别是钚）的固化基材。但烧绿石结构材料是较难合成的，过去国内外多采用高温固相反应法合成，耗时耗能。.我们以ZrO2、Gd2O3为原料，用Nd2O3、CeO2分别替代三价和四价锕系核素氧化物，在高温高压下合成Gd2Zr2O7基材及含模拟锕系核素的固化体，并研究模拟固化体的结构、物理化学性能及抗辐照能力。采用六面顶压机进行了高温高压合成实验， 在3~5.2GPa的压力和1573~1773K的温度下保持15min，制备出Gd2Zr2O7基材以及Gd2-xNdxZr2O7（0.1<x<2.0）、Gd2Zr2-yCeyO7（0.1<y<2.0）、Gd2-xNdxZr2-yCeyO7（0.1<x<2，0<y<2）模拟固化体。用XRD、Raman光谱等手段表征和Rietveld结构精修程序分析表明，Nd3+通过Gd3+等价替位连续固溶而形成烧绿石结构的Gd2-xNdxZr2O7（0.1<x<2.0）化合物，Ce4+也能通过Zr4+等价替位连续固溶形成Gd2Zr2-yCeyO7（0.1<y<2.0）、Gd2-xNdxZr2-yCeyO7（0.1<x<2，0<y<2）单相结构物质，但当y≥0.2时，它们从烧绿石型变为萤石型结构。.为了进行对比研究，在常压和1773K的温度下保温72小时制备出以上模拟锕系核素固化体。与常压高温固相反应法制备的样品相比，高温高压法制备样品的相对密度更大（99%以上），晶体外形规则、晶界清晰，维氏硬度平均高出18%以上。.对模拟锕系核素固化体样品在合成海水中进行了浸泡实验，获得了大量的主元素浸出率数据和这些元素的浸出率随温度、固溶量、浸泡时间的变化规律，在70℃恒温环境下浸泡42 天的各种主元素最大浸出率为1.328×10- 9(cm/d)，说明所合成的固化体具有非常好的化学耐久性。还对浸出液进行了电导率测试，导电率最大值为97.8 mscm-1。.在320kV多电荷离子实验平台的第三终端上，用Xe20+作为辐照重离子源，对合成样品进行了重离子辐照实验，以模拟锕系核素α衰变引起的反冲核离位对晶格的损伤。设计了1.09×1013~8.27×1015 ions•cm-2 的Xe20+束流强度辐照样品，其辐照损伤的结果正在分析中。