核废料固化材料A2B2O7纳米陶瓷研究

针对高放核废料地质处置需要，本申请项目提出了具有烧绿石A2B2O7抗辐照结构的纳米陶瓷这一新型材料体系。研究内容将在接近核废料存储的液态环境中采用湿化学法合成获得以Gd2Zr2O7为代表的纳米陶瓷粉体，借助六面顶压机，采用超高压烧结技术制备纳米陶瓷。在化学稳定性实验评估得出其热稳定性、耐酸性和耐水蚀性等参数基础上，模拟核废料存储环境累计剂量辐照条件，实验研究α粒子辐照引起的位移效应所导致的材料非晶化和辐照肿胀问题，实验研究β射线辐照所引起的加热效应和材料辐照非晶化后由于热退火效应引起再结晶的"自我修复"问题，实验研究反应堆中子综合辐照引起的物相和结构变化、密度变化、化学稳定性变化等问题，与传统烧绿石陶瓷（晶粒尺寸是纳米陶瓷的1000倍）相比较，借助分子动力学辐照损伤理论模拟，揭示纳米陶瓷抗辐照的机制和能力。本研究成果有望在核废料地质处置方面获得突破，具有明显的学术意义和潜在的应用价值。

针对高放核废料地质处置需要，本项目提出具有烧绿石A2B2O7 抗辐照结构的纳米陶瓷这一新型材料体系。研究中采用湿化学法合成获得Gd2Zr2O7纳米粉体，分别采用超高压烧结和真空烧结技术获得Gd2Zr2O7纳米陶瓷。系统研究并确定Gd2Zr2O7纳米陶瓷萤石–烧绿石–萤石相开始相变的温度范围分别为1250–1300℃、1500–1550℃，烧结温度只有在1300℃–1550℃之间，才可得到烧绿石结构Gd2Zr2O7。不同烧结温度下Gd2Zr2O7的IR图谱表明约在510cm-1处的红外峰，随有序度增大，峰向高波数方向移动。烧绿石和萤石结构Gd2Zr2O7的拉曼图谱中，只有A1g振动模式有明显变化。本项目重点研究电子辐照所引起的辐照自修复（结晶）的现象，利用JJ-Z型电子静电加速器，采用能量为1.7MeV、注量在1015~2×1016 /cm2的电子辐照非晶Gd2Zr2O7粉体、晶态Gd2Zr2O7 纳米粉体和晶态Gd2Zr2O7 纳米陶瓷。结果表明，非晶Gd2Zr2O7粉体未出现晶化现象；部分晶态Gd2Zr2O7 纳米粉体和纳米陶瓷在1016 /cm2的注量下，结晶度提高，晶粒长大，辐照引起的退火效应占主导地位；结晶程度较高的Gd2Zr2O7纳米陶瓷在电子辐照下结晶度提高最大，平均晶粒尺寸也有明显提高。利用电子束材料测试平台EMS-60装置，采用能量为80–120 keV，束斑大小为4cm×4cm的电子束辐照非晶Gd2Zr2O7 陶瓷和萤石结构Gd2Zr2O7 纳米陶瓷，结果表明：非晶Gd2Zr2O7陶瓷在电子辐照下，温升为450℃时转变为萤石相，且在同等温升条件下，样品的结晶度随电子能量的增大而增大；在温升为600℃，电子能量为140 keV的电子辐照下，非晶Gd2Zr2O7陶瓷可能出现烧绿石相；萤石结构Gd2Zr2O7纳米陶瓷在温升为1000℃的电子辐照下出现烧绿石相。和纯加热相比，电子辐照大大降低了出现萤石相和烧绿石相的温度，在电子辐照下更易实现辐照自修复。实验也研究了α粒子辐照引起的位移效应，结果表明Gd2Zr2O7陶瓷在1×109 ions的注量下未相变，但晶化峰右移。这些研究为纳米陶瓷的热态实验和未来核废料处置应用奠定学术和技术基础。