钙钛锆石玻璃陶瓷固化体辐射损伤的重离子辐照模拟研究

Long-term irradiation stability of high level waste forms directly affects the success of the high-level waste disposal. Zirconolite glass-ceramic has both the advantages of borosilicate glasses and zirconolite ceramics. It is a hot topic on the studies of waste forms, as its solidification ability is very attractive. However, very few studies have been carried on the micromechanism of radiation damages in zirconolite glass-ceramic at present. In this project, heavy ion irradiation will be used to simulate the radiation effects induced by α- decay and fission fragments. The method of high temperature anneal will be used.The processes of heavy-ion irradiation induced amorphization and recrystallization of zirconolite ceramic in the matrix of borosilicate glass will be investigated. The modifications on the volume of different phases and corresponding evolution of microcracks will be studied. The evolution of the occurrence of simulative actinides nuclide with ion fluence and annealing temperature will also be characterized . Based on these experimental results, the radiation damage mechanism of zirconolite glass-ceramic could be obtained. The topics in this project are the basic scientific questions related to the assessment of long-term irradiation stability of zirconolite glass-ceramic waste forms, which are the original works on this new materials. The expected results can provide important scientific basis for the solidification of α-HLLW in zirconolite glass-ceramic. As our team has engaged in this field for a long time, thus a rich experience for this research has been accumulated. This project could be successfully completed.

高放废物固化体的长期辐照稳定性直接影响高放废物的成功处置。钙钛锆石玻璃陶瓷兼具硼硅酸盐玻璃与钙钛锆石陶瓷的优点，对富锕系核素高放废液有很好的包容能力，是目前国际上固化材料研究领域的热点方向。然而目前对其辐照损伤机理研究内容非常有限。本课题拟利用重离子束辐照技术模拟锕系核素α衰变及裂变碎片强辐射场，结合高温退火处理，研究硼硅酸盐玻璃基体中钙钛锆石晶相的非晶化转变和再结晶过程，分析不同相的体积变化及其导致微裂纹的生成和演化，表征模拟锕系核素赋存状态随辐照剂量、退火温度的变化，从而揭示钙钛锆石玻璃陶瓷辐照损伤机理。本项目研究内容涉及钙钛锆石玻璃陶瓷固化体长期辐照稳定性评价相关的基础科学问题，是针对新研究对象开展的原创性工作。通过本项目的研究，可为尽快实现钙钛锆石玻璃陶瓷在富锕系核素高放废液固化的应用提供重要的基础科学依据。本团队成员长期从事该领域相关研究工作，为本工作的开展积累了丰富的经验。

钙钛锆石玻璃陶瓷兼具硼硅酸盐玻璃与钙钛锆石陶瓷的优点，是目前国际上固化材料研究领域的热点方向。然而深地质处置过程中的强辐射环境会导致其微观结构的变化，进而增大长寿命锕系核素泄漏的可能性。因此，研究钙钛锆石玻璃陶瓷固化体的辐照稳定性对于富锕系核素高放废液的成功处置具有重要意义。. 本项目通过高温熔融法制备了单一钙钛锆石晶相的玻璃陶瓷样品。利用15 MeV Si5+、4 MeV Kr17+、5 MeV Xe23+和8 MeV Au3+离子辐照模拟锕系核素α衰变及裂变碎片强辐射场，结合X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、二次离子质谱和纳米压痕等多种分析测试技术，研究了离子辐照导致钙钛锆石玻璃陶瓷微观结构和表面形貌的变化、高温退火导致钙钛锆石玻璃陶瓷微区形貌的变化、硼硅酸盐玻璃的微观结构和机械性能的变化。结果表明：离子辐照会导致钙钛锆石晶相发生非晶化的转变，且玻璃基体的存在并不会显著影响其非晶化过程。高温退火过程并未导致非晶钙钛锆石的再结晶；离子辐照会导致钙钛锆石玻璃陶瓷表面出现大小和高度不均一、无规则排列的突起结构，这主要是电离能量沉积作用引起玻璃基体膨胀而导致；模拟锕系核素Ce的赋存状态在辐照前后并没有明显变化，仍主要存在于钙钛锆石晶体相中，且保持以+3价形式存在；离子辐照会导致玻璃基体中生成氧分子，这主要与组分中Na元素的迁移聚集密切相关。核能量沉积会部分地抑制氧分子的生成，增大氧分子出现的阈值。且高温退火会导致氧分子的迁移聚集，进而生成氧气泡；离子辐照导致玻璃网络体结构的变化会引起其硬度的明显下降和模量的轻微增大，这主要是由于离子辐照过程中核能量沉积而导致的。. 本项目研究内容涉及钙钛锆石玻璃陶瓷固化体长期辐照稳定性评价相关的基础科学问题，是针对此研究对象开展的原创性工作。本项目研究成果对于建立相应玻璃陶瓷固化体辐射损伤的基本评价体系有重要的参考价值，可为尽快实现钙钛锆石玻璃陶瓷在富锕系核素高放废液固化的应用提供重要的基础数据。