随着社会对能源的需求不断增长，核能以其独特的优势，自开发利用时起便处于能源结构中不可替代的地位。然而核能的利用过程中也伴随着各种各样的局限性，高放核废物的处置便是制约核能可持续发展的关键。目前对于核废物最终处置，国际上广泛接受的一种处置方法就是固化高放核废物核素后深地质掩埋。陶瓷材料因浸出率低、耐腐蚀性能强、抗辐照损伤性能好，在长期的地质储存过程中能够较好地保持自身化学稳定性等特点，成为了固化高放锕系核素的理想固化体材料，并能够保障长半衰期的锕系核素不会随地下水进入生物圈。厦门大学核能研究所依托厦门大学能源学院建设的400 kV高能离子注入机，围绕人造岩石固化核废物这一课题开展长期研究。研究了不同质量离子辐照烧绿石Lu2Ti2O7陶瓷材料的结构稳定性。实际上不同质量离子辐照对应着不同PKA(Primary Knock-on Atom)能谱分布，质量数越大的离子辐照，PKA原子高能部分含量越多，能谱相对越硬。
图1 室温下不同质量离子(600 keV Kr3+、400 keV Ne+和200 keV He+)辐照烧绿石Lu2Ti2O7的GIXRD结果。
样品辐照后首先利用掠入射X-射线衍射仪(GIXRD)表征了辐照损伤层的结构，结果如上图1所示。室温下在Kr或Ne重离子辐照下，Lu2Ti2O7样品随着辐照剂量的不断增加，逐渐出现了非晶的漫散射峰，然而当到达一定剂量后，非晶峰面积不再继续增加，即使辐照剂量达到29 dpa时，样品仍然未发生完全非晶化转变;对于轻离子He辐照，即便辐照剂量高达2.0×1017ions/cm2，Lu2Ti2O7仍未出现任何非晶现象，然而随着He离子辐照剂量的增加，发现了Lu2Ti2O7由阳离子有序的烧绿石相转变为阳离子无序的萤石相。
图2 室温下Kr离子和He离子辐照Lu2Ti2O7的TEM照片与选取电子衍射结果。
相应的利用透射电子显微镜(TEM)表征了室温辐照结果，结果见图2。TEM结果表明Kr离子辐照在辐照层生成了分布均匀，纳米尺寸在10 nm左右的纳米晶，与GIXRD结果保持一致。纳米晶的生成正是Kr离子辐照不能完全非晶化的原因，纳米化使材料自由表面比例增加，加速了辐照缺陷的扩散，从而使辐照碰撞级联中产生的弗伦克尔缺陷对复合概率增加，抑制了最终辐照引起体系自由能的增加并最终非晶化。而对于He离子辐照，TEM证实了表面辐照损伤层是阳离子无序的萤石相，与GIXRD结果保持一致。
图3 不同温度下600 keVKr3+离子辐照Lu2Ti2O7样品的GIXRD结果及相应高温下的横截面电镜图。
接着在450 ºC高温下利用Kr离子对样品进了辐照，实验结果如图3所示。GIXRD结果表明发生了烧绿石到萤石相的转变，TEM结果的选取电子衍射表明由阳离子有序存在所造成的超晶格衍射斑点消失了，只留下了一套萤石相衍射斑点，证实了在450℃辐照下，样品发生了有序烧绿石相到无序萤石相的晶体转变。
图4 不同质量离子辐照下的临界非晶曲线示意图。
综合不同质量数离子在不同温度下的辐照实验结果，并根据辐照材料临界非晶曲线，可以知道，对于Kr离子辐照，在极低温辐照时，材料将完全非晶化，室温下辐照后材料变为了纳米晶，高温下辐照，观察到材料变为了无序的萤石结构。相对于已有的临界非晶曲线模型，主要是在临界非晶温度周围辐照得到了纳米晶。这对传统的临界非晶曲线进行了扩充，即在晶体向非晶的转变过程中会出现过渡形态，也就是临界非晶温度附近辐照将导致纳米晶化。而对于轻离子辐照，室温下辐照，发现变为萤石相，极低温度下He辐照，由于原子辐照点缺陷移动困难，可以预见材料将完全非晶化。因此，相比重离子辐照，轻离子辐照的临界非晶温度将向低温端移动，其如上图4不同质量数离子辐照的临界非晶曲线示意图所示。轻离子辐照引起的临界非晶温度向低温偏移，这一方面是轻重离子辐照引起的不同PKA能谱造成的，另一方面可能是由轻重离子辐照时不同电子能损的贡献。根据以上实验结果，针对含锕系核素的核废物固化体材料的辐照研究，由于实际固化体材料将面对的是来自核素α衰变产生的α核与反冲核这两种离子同时辐照，相当于以上实验中的轻重离子束同时辐照，所以用双束辐照更能准确研究核废物固化体的辐照损伤情况。后续本课题组将用厦门大学建设的多离子束原位辐照损伤设施对陶瓷固化体进行原位单、双束辐照研究，以进一步研究在临界非晶温度附近的纳米晶化内在规律与机理。欢迎各位同仁交流、指教!
项目联系人 张建：zhangjian@xmu.edu.cn
