不同反位参数及晶粒尺寸尖晶石的离子束辐照效应及机理研究

Nuclear materials are the basis and precursor of the sustainable development of nuclear energy, as well as one of the key problems that should be well solved. Spinels (AB2O4) have showed significant potential applications, including as high-level nuclear waste forms, inert matrix fuel host materials in light water reactors and actinide transmutation targets. The present proposal aims to carry out research in two aspects: (1) on the basis of synthesizing several spinels with different A, B cations and different inversion parameters (i=0-1), investigate the relationship between the microscopic mechanism of the structural evolution induced by ion irradiation and the role of the A, B cations and inversion parameters; (2) on the basis of synthesizing nano-MgB2O4 (B=Al, Ga, In) spinels, investigate the ion irradiation effects and mechanisms under room and high temperatures. This project is expected to provide experimental data for the dependence of the ion irradiation behavior of spinels on the structural parameters, and the radiation resistance of nano-spinels under different temperatures. Meanwhile, combined with the theoretical calculations, the project will also bring some useful insights on the relationship between the structural behaviors of complex oxides under ion irradiations and defect type, generation and evolution. The project study can provide the basis and possibility to find suitable oxide materials with excellent amorphization resistance in extreme environments.

核材料是核能发展的基础和先导，也是制约核能可持续发展的重要瓶颈之一。尖晶石在高放射性核废物固化、轻水堆惰性基质核燃料宿主材料及锕系元素嬗变靶等方面都有重要应用前景。本项目拟进行两方面研究：（1）在制备出具有不同A、B位阳离子、不同反位参数（i=0-1）多种尖晶石的基础上，研究其在离子束辐照下的结构变化行为与A、B位阳离子、反位参数i之间的关系及其材料结构变化的微观机理。（2）在制备纳米MgB2O4（B=Al,Ga,In）尖晶石的基础上，研究其在室温及高温下的离子束辐照效应及机理。通过本项目的研究，为掌握尖晶石在离子束辐照下的结构变化行为与尖晶石结构参数之间的依赖关系，以及纳米尖晶石在不同温度下的抗辐照性能提供实验数据；结合理论模拟计算，理解复杂氧化物在离子束辐照下的结构变化行为与材料中的缺陷类型、缺陷产生及缺陷演变之间的关系，为发现在极端环境中抗辐照非晶化能力强的氧化物材料提供依据和可能。

尖晶石在高放射性废物固化及锕系元素嬗变靶等方面都有重要应用前景。利用固相反应法制备得到了一系列具有不同反位参数的AB2O4 (A=Mg, Zn; B=Cr, Ga, Al, Sn)及A2SnO4(A=Mg, Zn)尖晶石，得到了实验条件对所制备样品结构和成分的影响，获得了制备具有不同A、B位阳离子、不同反位参数AB2O4尖晶石多晶材料的最佳实验条件。采用溶胶凝胶燃烧法制备得到了非化学计量比纳米镁铝尖晶石粉体MgO•nAl2O3（n=0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3），结果表明，前驱体的焙烧温度对所制备粉体的相结构有重要影响，在800℃焙烧温度下，可得到单一的MgO•nAl2O3（n=0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3）镁铝尖晶石相。所有尖晶石样品的致密度达到93%以上，硬度大于19GPa。在室温下，用400keV的He2+对Mg(1-X)ZnxAl2O4(x=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)样品进行了不同剂量的辐照实验，实验发现所有样品在辐照后结构都没有发生任何非晶化相变，表明以上尖晶石都具有优异的抗辐照性能；对纳米尖晶石MgO•nAl2O3（n=0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3）的原位离子束辐照实验结果表明，当离子束辐照剂量达到35dpa时，所有纳米尖晶石的结构都未发生结构相变及非晶化。表明无论尖晶石的颗粒是微米级还是纳米级，MgAl2O4尖晶石结构材料都具有优异的抗辐照性能。采用经典分子动力学方法对MgAl2O4 尖晶石在300K温度下由Frenkel缺陷累积所导致的结构相变动力学过程进行了研究，结果表明相变分为三个阶段。用第一性原理方法对Sr掺杂MgAl2O4尖晶石的结构、机械、电子特性及抗辐射性能进行了研究，结果表明固溶体Mg1-xSrxAl2O4（x=0,0.25,0.5,0.75,1）都是稳定的尖晶石结构，Sr占据Mg位导致晶格常数变大、阳离子无序能降低、延展性变好、带隙变窄、电阻更低，电荷重分布主要发生在Sr阳离子与邻近O阴离子之间。Mg1-xSrxAl2O4（x=0,0.25,0.5,0.75,1）的抗辐照性能随Sr含量的增加而减小，MgAl2O4的抗辐照性能最好，SrAl2O4的抗辐照性能最差。计算结果为更深入地理解 MgAl2O4 尖晶石结构稳定性的内在机制、相变过程、核素掺杂、耐辐照性能提供了有力的支撑。