A4Zr3O12陶瓷材料的高温辐照损伤机理研究

The goal of this program is to understand the mechanism of radiation damage in ceramics at high temperature, and provide a direction to design or search for new radiation-resistant ceramics. The ceramics studied here belong to derivatives of cubic fluorite structure, which are high radiation-resistant materials, such as nuclear fuel UO2 used in the nuclear reactor, and they are recognized as one of the most important nuclear waste immobilization ceramics. We also expect the ceramics studied here can be applied in advance fission reactors, in future fusion reactors or as actinide ceramics fuel forms. But all above applications need the ceramics serve at high temperature, high radiation dose, it is important to examine the radiation behavior of these materials at high temperature. We will expose the ion irradiation at high temperature in these ceramics, and then characterize implanted samples by GIXRD (Grazing Incidence X-Ray Diffraction) and TEM (Transmission Electron Microscopy), meanwhile we should perform computer simulation of damage evolution in ceramics and compare them with the experiment results to promote our understanding of high temperature radiation damage in these materials at the atomic scale.

本项目的目的是深入理解陶瓷核材料的高温辐照损伤机理，为设计或搜寻新的抗辐照陶瓷核材料提供指导。该项目所研究的陶瓷材料A4Zr3O12（A=Sc, Lu和Dy）属于立方萤石（CaF2）结构衍生物，该类结构及衍生物（如核反应堆燃料UO2）具有很好的抗辐照性能，被认为是将来实现核废料固化的首选材料之一。同时，我们也期待所研究的陶瓷核材料将来能在先进裂变堆、未来聚变堆、锕系陶瓷核燃料中得到应用。所有这些应用都需要所选陶瓷材料在高温、高辐照条件下服役，因而研究其在高温下的辐照行为是十分重要的。我们将在高温条件下对陶瓷材料实施离子辐照，利用掠角X射线衍射仪和透射电子显微镜等设备表征、分析辐照损伤结果，通过计算机模拟计算损伤的演化过程，并与实验结果进行比较，加深在原子尺度上对高温辐照损伤效应的理解。

随着我国核能的不断发展，核废料的问题也越来越严重。目前国际上广泛认可的大量核废料处理方式是采用人造岩石或玻璃固化核废料，然后深地质处置。然而，由于核废料的放射性核素的衰变，可能造成固化核废料的基体材料的辐照损伤，从而影响其固化能力。同时核素衰变也会产生大量的热量，导致固化基材的环境温度升高。因此，在核废料进行具体固化，深地质处置前，十分有必要在不同温度下对固化核废料的候选基体材料的辐照损伤等性能开展深入的研究。本项目选择了自然界稳定存在的萤石结构衍生物为候选研究对象，系统性地研究了其在不同温度下的辐照损伤行为。我们采用数百keV的Kr、He离子在室温，450°C下辐照萤石结构衍生物。发现在室温下用Kr离子辐照P-Lu2Ti2O7陶瓷材料，借助XRD表征的非晶含量到达80%后，就不再增加，更进一步TEM表征表明生成了纳米晶，增强了其的抗非晶化能力。另外，在450°C时，P-Lu2Ti2O7变为了萤石结构相。因此对于P-A2Ti2O7结构的陶瓷材料，根据已有认识，有一个临界非晶温度Tc。当辐照温度低于Tc时，材料可以发生非晶；高于Tc时，不能非晶。而我们的研究结果验证了上述认识，同时进一步表明：当辐照温度在Tc附近，样品将形成均匀分布的纳米晶；高于Tc时，萤石结构生成。该实验结果表明，离子辐照能够潜在用于陶瓷材料或其它材料表面纳米膜的制备。此外，轻He离子的辐照却首次观察到在辐照区域生产的是烧绿石相和萤石相的混合物，且在此变化过程中，晶体的阳离子反位对数不断增加，导致晶胞尺寸不断增大。所有这些实验观察表明了材料的辐照损伤是一个很复杂的现象，与材料温度，入射离子的PKA能谱等关系密切，特别是研究对象是结构复杂的三元及以上的复杂陶瓷材料。因此，后续本课题组将进行更深入地研究，以期在大量实验和系统分析基础上建立合适理论，指导实际工作。