(CexA1-x)2Ti2O7 (A=Y, Gd, Lu; x=0-1)的制备及离子束辐照效应研究

The safe disposal of high-level nuclear waste(HLW) is a key issue in the development of nuclear energy, which needs to be solved, and represents one of the hot research topics over the world. Immobilization of HLW is a challenging task at present and must be archived for safely operating current and next generation nuclear reactors. In the proposal, element Ce will be used to simulate Pu and U ceramic immobilization because Ce is very similar to Pu and U. On the basis of preparation of Ce containing rare earth titanate pyrochlore ( CexA1-x ) 2Ti2O7 ( A=Y, Gd, Lu; x=0-1 ), Ne and Xe ions will be used to perform radiation experimentals. At the same time,the structure parameters, charge distribution and defect energy of the Ce containing pyrochlores will be determineed using first principles calculations based on the density functional theory with VASP code, which irradiation effects will be explored by molecular dynamics (MD method). The relationship between radiation effects (volume swelling effect and radiation amorphization dose) with Ce containing and rare earth ion in A site, as welll as the effects of the structure, charge distribution and the defect energy on radiation resistance of these materials will be revealed. It is a goal for this study to provide more conclusive experimental evidence for actinide high-level nuclear waste ceramic immobilization. The research of this project has important scientific and practical significance.

高放射性核废物的安全处置是核能发展过程中必须首要解决的关键问题，也是全球高度关注的热点和难点之一，寻找理想的高放射性核废物固化基材是当务之急。本项目拟利用与高放射性核素Pu和U极相似的元素Ce来代替Pu和U进行Pu或U的陶瓷固化研究。在制备包容不同Ce含量稀土钛酸盐烧绿石(CexA1-x)2Ti2O7 (A=Y, Gd, Lu; x=0-1)的基础上，对其进行Ne离子和Xe离子束辐照实验研究；利用基于密度泛函理论的第一性原理软件VASP对包容有不同Ce含量的稀土钛酸盐烧绿石进行结构参数、电子结构以及溶解能的计算。通过采用分子动力学方法系统研究Ce包容量、A位稀土离子对离子束辐照所引起材料结构变化（体积肿胀与非晶化）的影响，揭示Ce含量对材料的结构参数、电子结构、溶解能及其抗辐照性能的影响，以期为锕系高放射性核废物陶瓷固化研究提供更加确凿可信的实验依据，本项目的研究具有重要的科学和现实意义。

高放射性核废物的安全处置是核能发展过程中必须首要解决的关键问题，也是全球高度关注的热点和难点之一，寻找理想的高放射性核废物固化基材是当务之急。本项目利用与高放射性核素Pu和U极相似的元素Ce来代替Pu和U进行Pu或U的陶瓷固化制备及抗辐照性能研究。主要研究内容：制备了不同Ce含量的钛酸盐烧绿石(CexA1-x)2Ti2O7 (A= Gd, Lu; x=0-1)及具有不同晶粒大小的钛酸盐烧绿石Ln2Ti2O7 (Ln=Lu, Gd, Ho)并进行了离子束辐照实验研究。结果表明Ce在Lu2Ti2O7和Gd2Ti2O7中的最大掺杂量分别为32 mol％和39.62 mol％，(Lu2-xCex)Ti2O7及(Gd2-xCex)Ti2O7的晶格常数都随Ce掺杂量的增加而增大，Ce的掺杂会使其抗辐照性能减弱，在室温下纳米烧绿石的抗辐照性能优于大晶粒烧绿石的抗辐照性能，而在高温下的结果相反。利用第一性原理软件VASP对不同Ce含量 (CexA1-x)2Ti2O7 (A= Gd, Lu; x=0-1)、Ce与Pu在Gd2Sn2O7中的掺杂、He在La2Zr2O7中的行为、Ln2TiO5 (Ln=La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy and Y)、Re2B2O7 (Re=La-Lu; B=Ti and Sn)、delta-Y6WO12 和Y6UO12等的结构参数、电子结构、溶解能、键合性质、力学性质及热学性质进行了研究。同时，利用分子动力学对25中烧绿石的结构、力学性质和热学性能进行了计算，发现Ce固化在烧绿石B位会使烧绿石的热容量和热膨胀系数急剧下降，从而可能影响烧绿石包容核废物的能力。用分子动力学计算方法研究发现具有不同A、B位阳离子的烧绿石，其离位阈能 Ed 随A位阳离子半径的增大而增大，但随B位阳离子半径的增大而减小；由于离位阈能与材料的抗辐照性能密切相关，Ed 值越小，越容易发生从烧绿石到萤石的有序无序转变，临界非晶化剂量越大，抗辐照损伤能力越强。本项目的研究对高放废物陶瓷固化体的进一步深入研究奠定了实验和理论基础。