隨著社會對能源的需求不斷增長，核能以其獨特的優勢，自開發利用時起便處于能源結構中不可替代的地位。然而核能的利用過程中也伴隨著各種各樣的局限性，高放核廢物的處置便是制約核能可持續發展的關鍵。目前對于核廢物最終處置，國際上廣泛接受的一種處置方法就是固化高放核廢物核素后深地質掩埋。陶瓷材料因浸出率低、耐腐蝕性能強、抗輻照損傷性能好，在長期的地質儲存過程中能夠較好地保持自身化學穩定性等特點，成為了固化高放錒系核素的理想固化體材料，并能夠保障長半衰期的錒系核素不會隨地下水進入生物圈。廈門大學核能研究所依托廈門大學能源學院建設的400 kV高能離子注入機，圍繞人造巖石固化核廢物這一課題開展長期研究。研究了不同質量離子輻照燒綠石Lu2Ti2O7陶瓷材料的結構穩定性。實際上不同質量離子輻照對應著不同PKA(Primary Knock-on Atom)能譜分布，質量數越大的離子輻照，PKA原子高能部分含量越多，能譜相對越硬。

圖1 室溫下不同質量離子(600 keV Kr3+、400 keV Ne+和200 keV He+)輻照燒綠石Lu2Ti2O7的GIXRD結果。

樣品輻照后首先利用掠入射X-射線衍射儀(GIXRD)表征了輻照損傷層的結構，結果如上圖1所示。室溫下在Kr或Ne重離子輻照下，Lu2Ti2O7樣品隨著輻照劑量的不斷增加，逐漸出現了非晶的漫散射峰，然而當到達一定劑量后，非晶峰面積不再繼續增加，即使輻照劑量達到29 dpa時，樣品仍然未發生完全非晶化轉變;對于輕離子He輻照，即便輻照劑量高達2.0×1017ions/cm2，Lu2Ti2O7仍未出現任何非晶現象，然而隨著He離子輻照劑量的增加，發現了Lu2Ti2O7由陽離子有序的燒綠石相轉變為陽離子無序的螢石相。

圖2 室溫下Kr離子和He離子輻照Lu2Ti2O7的TEM照片與選取電子衍射結果。

相應的利用透射電子顯微鏡(TEM)表征了室溫輻照結果，結果見圖2。TEM結果表明Kr離子輻照在輻照層生成了分布均勻，納米尺寸在10 nm左右的納米晶，與GIXRD結果保持一致。納米晶的生成正是Kr離子輻照不能完全非晶化的原因，納米化使材料自由表面比例增加，加速了輻照缺陷的擴散，從而使輻照碰撞級聯中產生的弗倫克爾缺陷對復合概率增加，抑制了最終輻照引起體系自由能的增加并最終非晶化。而對于He離子輻照，TEM證實了表面輻照損傷層是陽離子無序的螢石相，與GIXRD結果保持一致。

圖3 不同溫度下600 keVKr3+離子輻照Lu2Ti2O7樣品的GIXRD結果及相應高溫下的橫截面電鏡圖。

接著在450 ºC高溫下利用Kr離子對樣品進了輻照，實驗結果如圖3所示。GIXRD結果表明發生了燒綠石到螢石相的轉變，TEM結果的選取電子衍射表明由陽離子有序存在所造成的超晶格衍射斑點消失了，只留下了一套螢石相衍射斑點，證實了在450℃輻照下，樣品發生了有序燒綠石相到無序螢石相的晶體轉變。

 

圖4 不同質量離子輻照下的臨界非晶曲線示意圖。

綜合不同質量數離子在不同溫度下的輻照實驗結果，并根據輻照材料臨界非晶曲線，可以知道，對于Kr離子輻照，在極低溫輻照時，材料將完全非晶化，室溫下輻照后材料變為了納米晶，高溫下輻照，觀察到材料變為了無序的螢石結構。相對于已有的臨界非晶曲線模型，主要是在臨界非晶溫度周圍輻照得到了納米晶。這對傳統的臨界非晶曲線進行了擴充，即在晶體向非晶的轉變過程中會出現過渡形態，也就是臨界非晶溫度附近輻照將導致納米晶化。而對于輕離子輻照，室溫下輻照，發現變為螢石相，極低溫度下He輻照，由于原子輻照點缺陷移動困難，可以預見材料將完全非晶化。因此，相比重離子輻照，輕離子輻照的臨界非晶溫度將向低溫端移動，其如上圖4不同質量數離子輻照的臨界非晶曲線示意圖所示。輕離子輻照引起的臨界非晶溫度向低溫偏移，這一方面是輕重離子輻照引起的不同PKA能譜造成的，另一方面可能是由輕重離子輻照時不同電子能損的貢獻。根據以上實驗結果，針對含錒系核素的核廢物固化體材料的輻照研究，由于實際固化體材料將面對的是來自核素α衰變產生的α核與反沖核這兩種離子同時輻照，相當于以上實驗中的輕重離子束同時輻照，所以用雙束輻照更能準確研究核廢物固化體的輻照損傷情況。后續本課題組將用廈門大學建設的多離子束原位輻照損傷設施對陶瓷固化體進行原位單、雙束輻照研究，以進一步研究在臨界非晶溫度附近的納米晶化內在規律與機理。歡迎各位同仁交流、指教!

項目聯系人 張建：zhangjian@xmu.edu.cn