Gd1.6Nd0.4Zr2O7烧绿石的快速合成及其组织结构研究

为探索Gd₂Zr₂O₇烧绿石快速固化高放废物中锕系核素的新途径,实验用高温高压固相反应法在3～4GPa压力、1573～1673K温度范围内合成了Gd_1.6Nd_0.4Zr₂O₇烧绿石固化体,并利用X射线衍射仪、扫描电镜对样品进行了分析。结果表明：高温高压固相反应法可在极短时间（15min）内合成完全固溶的Gd_1.6Nd_0.4Zr₂O₇立方烧绿石固化体,较常用制备方法（一般合成时间不低于48h）快近200倍;用该技术合成的样品在常温常压下的相转变温度及压力得以显著提高,烧绿石相更趋稳定;样品晶格常数随Nd含量的增加及合成温度的升高而逐渐增大,随合成压力的增加而逐渐减小。这种快速高效的合成方法为未来开展高放核素的工业固化提供了一种新的技术途径和基本数据参考。     

烧绿石(La1-yNdy)2Zr2O7模拟固化241Am的晶体结构稳定性研究

为研究²⁴¹Am在La₂Zr₂O₇烧绿石中的固化行为及其对烧绿石晶体结构稳定性的影响,实验选用Nd作为²⁴¹Am的模拟物,采用Sol-喷雾热解法合成了(La_1-yNd_y)₂Zr₂O₇（0.0≤y≤1.0）系列样品,并借助X射线衍射和振动光谱手段对样品的晶体结构稳定性进行了研究。实验结果表明：随着Nd掺杂量的增加,O48f位置参数x_48f和I₍₁₁₁₎ /I₍₂₂₂₎均呈规律性增大,Raman谱逐渐展宽,IR谱发生蓝移,所有结果均证实用Nd不断替换La将导致烧绿石晶体结构有序化程度逐渐降低。另外,实验发现掺杂量y≈0.8是烧绿石晶体结构发生几何相变的逾渗阈值,超过该阈值有序的烧绿石结构将发生突变进而加速向无序萤石结构转变,该实验结果可为(La_1-yAm_y)2Zr2O7固溶体的结构稳定性研究提供参考。     

Gd2O3-Nd2O3-ZrO2-CeO2体系的高温固相反应研究

为研究Gd₂O₃-Nd₂O₃-ZrO₂-CeO₂四元氧化物体系的高温固相反应,以Gd₂O₃、Nd₂O₃、ZrO₂、CeO₂混合粉体为原材料,在1 673 K和1 773 K温度下煅烧24、48、72 h,分别制备了系列样品,并对合成样品进行了XRD和SEM分析。结果表明,合成产物为具有缺陷萤石相且伴有少量烧绿石相的Gd_2-xNd_xZr_2-xCe_xO₇（0≤x≤2）晶体化合物。随着煅烧温度的升高和煅烧时间的延长,产物中立方烧绿石相的化合物增多,晶粒尺寸变大,且有少量未知相生成。进而探讨了锆基陶瓷固化多核素的潜在应用,并提出了未来研究的相关热点问题。     

阻氚用Fe-Al渗铝层表面稳态相Al2O3膜生长机理研究

为阐释Fe-Al渗铝层表面暂态相Al₂O₃膜向稳态相α-Al₂O₃膜的转变机理,探索稳态相α-Al₂O₃膜制备的氧化工艺参数范围,采用掠入射角X射线衍射仪、辉光放电光谱仪、聚焦离子束、透射电镜等,结合热重分析对CLAM钢基体Fe-Al渗铝层在940～980 ℃、1 Pa～20 kPa参数下的氧化生长行为进行了深入表征与机理分析。研究结果表明,在1 Pa～20 kPa氧分压范围内Al₂O₃膜生长初期反应速率常数随着氧分压的升高而增大,而后期反应速率常数反而随之下降;采用掠入射角X射线衍射仪对3～180 min氧化不同时期表面Al₂O₃膜的相结构进行了掠入射角分析,推测Al2O3膜的生长经历了从氧化初期形成暂态相γ-Al₂O₃（15 min）→过渡态相α-（Al_0.948Cr_0.052）₂O₃（30 min）→稳态相α-Al₂O₃（120～180 min）的演变过程,最短相转变时间约60～90 min,连续Al₂O₃膜厚度约2 000 nm;同时,结合聚焦离子束对30、120 min形成的Al₂O₃膜表面进行了精确定向切割制样,并采用透射电镜选区电子衍射分析验证了相转变前Al₂O₃膜结构为过渡态相α-（Al_0.948Cr_0.052）₂O₃（113）,转变后为稳态相α-Al₂O₃（113）,证实了Cr作为第三组元促进暂态相向稳态相α-Al₂O₃的转变规律。     

UO2?-Er2O3燃料芯块制备技术初步研究

对Er₂O₃质量分数为4.32%的UO₂-Er₂O₃可燃毒物燃料芯块的制备技术进行了初步研究。通过对比不同工艺条件（混料、成型、烧结）下,芯块的外观完整度、密度、晶粒度等性能,初步得到了UO₂-Er₂O₃燃料芯块的制备技术。试验表明:干法球磨混合6?h,添加5‰的聚乙烯醇（PVA）,300~350?MPa压力下冷压成型,1700~1750℃、H₂气氛中烧结2~3?h,可得到外观完整、密度大于等于95%理论密度（T.D.）、晶粒尺寸大于8?μm的UO₂?-Er₂O₃燃料芯块。      

稀土氧化物Gd2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3在KCl-LiCl-Li2O熔盐中的电解

采用循环伏安法和计时电位法研究了Li₂O在KCl-LiCl熔盐中的电化学行为,并利用卷积伏安法计算了923 K下O₂^-在KCl-LiCl熔盐中的扩散系数（D),得到D=0.5×10^-5 cm²/s。以Gd₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃和Dy₂O₃为阴极,在KCl-LiCl-Li₂O(w=1%)熔盐中进行电解（恒电压3.40 V、电解温度923 K、电解时间25 h）。通过X射线衍射分析(XRD),证实稀土氧化物被部分还原为金属,并分析了电解过程中可能发生的反应。同时利用PRS模型（该模型可将固态阴极内离子的极限扩散速率与固态氧化物孔隙P、金属/氧化物摩尔体积R、阴极还原后的体积收缩率S等参数关联）分析了这些稀土氧化物的电解还原模型,得到Gd₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃和Dy₂O₃的最优孔隙率分别为18.7%、24.2%、30.6%、16.7%,最短电解时间分别为133、157、143、119 h,将这些结果与电解实验结果进行对比,发现阴极的孔隙率和电解时间均不满足金属氧化物完全被还原的要求,并给出了相应的解释。     

α/γ相比率调控对超音速等离子喷涂Al2O3阻氚涂层微结构及性能的影响

采用超音速等离子喷涂技术在中国低活化马氏体钢表面制备不同α/γ相比率的Al₂O₃阻氚涂层,研究了α/γ相比率调控对Al₂O₃涂层微观结构、力学性能和耐电化学腐蚀性能的影响。利用掠入射X射线衍射（GIXRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征Al₂O₃涂层的微观结构、粘结拉伸试验法和纳米压痕仪表征涂层的力学性能、动电位极化曲线法测试涂层的耐电化学腐蚀性能。研究结果显示：通过调控特征喷涂参数（CPSP）,Al₂O₃涂层中α相含量从78.6%至24.4%可控调节,且孔隙率从2.8%降低至1.5%;α相含量为78.6%的Al₂O₃涂层硬度为(11.500±0.575) GPa,约为高γ相含量(75.6%)涂层的2倍;且高α相含量(78.6%)涂层的腐蚀电流密度较高γ相含量(75.6%)涂层的腐蚀电流密度低1个数量级。以上结果表明,高α相含量(78.6%)的Al₂O₃涂层具有更优异的力学性能、耐电化学腐蚀性能以及耐Cl^-扩散穿透能力,具有应用于聚变堆结构材料表面阻氚涂层的潜能。     

掺杂Cr2O3对UO2芯块烧结行为的影响

提高燃料燃耗的一个有效手段是通过增大UO₂晶粒尺寸来减少元件内部气体压力,在大晶粒UO₂芯块中,裂变气体到达晶界表面的距离增加,因而裂变气体的释放速率降低,元件内部气体压力的增高缓慢。本文研究了添加Cr₂O₃对UO₂晶粒尺寸的影响。对纯UO₂、添加0.5% Cr₂O₃及5% Cr₂O₃ 3种配方的芯块进行了试验,在5%H₂Ar保护下,以10 ℃/min和5 ℃/min的升温速率升温至1 700 ℃,然后烧结2 h或4 h,对比纯UO₂芯块与添加Cr₂O₃的芯块发现,添加Cr₂O₃可有效增大晶粒尺寸;较长的烧结时间可促进晶粒长大;较低的升温速率也使晶粒长大。烧结过程产生液相烧结,液相浸润晶粒边界,促进晶粒长大。     

人造岩石固化体SrCeTi2O7的合成与性能研究

采用⁸⁸Sr模拟放射性核素⁹⁰Sr,Ce⁴⁺模拟四价锕系放射性核素。以分析纯SrCO₃、CeO₂和TiO₂为主要原料,通过高温固相反应制备SrCeTi₂O₇人造岩石固化体。对固化体的烧成工艺、物理性能、晶体结构及微观形貌进行研究,并对固化体的热稳定性及抗浸出性能进行探讨。结果表明,选择配方n(SrCO₃)∶n(CeO₂)∶n(TiO₂)＝1∶1∶2,在1 450 ℃下保温5 h可合成结构致密、晶型发育完整的SrCeTi₂O₇人造岩石固化体;Dicvol程序指标化结果表明,该固化体化合物属四方晶系,晶胞参数为a＝0.387 33(4) nm,c＝0.388 07(5) nm;SrCeTi₂O₇人造岩石固化体具有良好的热稳定性,经高达800 ℃热处理后样品仍保持原有物相不变;PCT-B粉末浸泡法测试结果表明,SrCeTi₂O₇人造岩石固化体具有较好的抗浸出性能,浸泡周期28 d时Sr、Ce和Ti的浸出率分别为3.51×10^-4、8.23×10^-8和2.02×10^-7 g/(m²·d)。     

钯催化H2O2分解的机制探讨

高放废物（HLW）处置库近场地下水的辐解能够产生H₂O₂,其被裂变产物合金颗粒（ε-颗粒）的催化分解属于多相表界面反应。本工作选用钯粉模拟ε-颗粒,采用高压反应釜研究体系总压和H₂分压对反应的影响,并按一级动力学模型拟合实验数据。添加HO·的捕获剂和淬灭剂的实验证明无H₂反应过程中存在HO·的生成步骤。钯的催化活性及形态变化与反应时间的关系表明,产物氧吸附在钯的表面对反应具有毒化作用。通过持续监测滤液中H₂O₂浓度的变化,发现溶液中存在类似于Haber-Weiss的反应持续消耗H₂O₂。推导出钯对H₂O₂分解的机制过程和影响因素,为处置库的安全评估提供基础数据。     

喷雾热解合成An_2Zr_2O_7(An=La、Nd)烧绿石及结构分析

锆基烧绿石An2Zr2O7以优异抗辐照性能和化学稳定性成为高放废物中锕系核素的理想固化基材。镧系核素常作为替代核素进行锕系核素的固化研究,实验以硝酸盐为原料,以三价的镧系元素(La、Nd)模拟锕系元素,采用sol-喷雾热解方法在1 200℃、6h内合成了(La、Nd)2Zr2O7烧绿石。采用粉末X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱分析方法对合成的样品进行了结构表征,结果表明:利用该方法合成了单一物相的烧绿石立方结构An2Zr2O7;相对于La2Zr2O7的烧绿石结构,Nd2Zr2O7烧绿石具有向萤石结构转变的趋势。该合成方法为目前的高放废液人造岩石固化提供了一定的技术基础。     

Er2Ti2O7烧绿石基玻璃陶瓷固化体的制备工艺研究

为获得含单一钛酸盐烧绿石的玻璃陶瓷固化体,本文以Er₂Ti₂O₇作为钛酸盐烧绿石代表,在传统的烧结法制备工艺基础上,通过热雾喷解和晶核掺入的技术改进,分别研究了烧结温度、烧结时间、玻璃与陶瓷晶核质量配比等参数对Er₂Ti₂O₇基玻璃陶瓷固化体物相及结构的影响规律。XRD结果表明：在不同的烧结温度、烧结时间和质量配比下,均能获得含单一Er₂Ti₂O₇烧绿石的玻璃陶瓷固化体,Er₂Ti₂O₇前驱体在玻璃中的相稳定性好,未发生相分解,玻璃组分亦未受陶瓷相的影响而析出第二相;玻璃组分对陶瓷颗粒存在张应力作用,玻璃含量越高,Er₂Ti₂O₇的晶胞常数越大;提高烧结温度和烧结时间均有利于增强固化体中Er₂Ti₂O₇的结构有序性,但烧结温度效果强于烧结时间。SEM结果表明：Er₂Ti₂O₇在玻璃基体上呈四方形生长,与玻璃界面清晰,相容性好。固化体的物性测试结果表明,玻璃组分占比将直接影响固化体的表观孔隙率和致密度。根据以上结果可知,新工艺制备的样品具有相纯度高、烧绿石相与玻璃相容性好、两相比例可调等优点,较好地解决了钛酸盐烧绿石在玻璃基体中易发生相分解的问题。     

镧系元素模拟衰变子体对An_2Zr_2O_7固化体结构及其γ辐照性能的影响

锆基烧绿石An2Zr2O7以优异的抗辐照性能和化学稳定性成为高放废物中锕系核素的理想固化基材,高放废物固化体在长期贮存过程中不断衰变产生衰变子体,必将影响固化体的结构和性能。本文以镧系核素Nd模拟锕系核素Pu、Am,La模拟其衰变子体U、Np,通过溶胶凝胶方法合成了(LaxNd1-x)2Zr2O7模拟固化体。样品经高能γ辐照,辐照剂量为233.78kGy。利用X射线衍射、Raman振动光谱和结构精修方法对辐照前后的系列样品进行了分析。结果表明:(LaxNd1-x)2Zr2O7系列固化体均为单一的烧绿石结构相;固化体的晶格常数随La的增加呈线性增加,晶体结构趋于有序化,意味着衰变子体有助于固化体趋向于更加有序的烧绿石结构。γ辐照和结构精修结果表明,随着子体的增加,An—O48f键长增大,离子键结合力减小,在辐照情况下晶格易发生无序化,抗辐照能力减弱。     

Na_2O/Al_2O_3摩尔比对模拟高放废液硼硅酸盐玻璃固化体结构和性能的影响

研究了Na2O/Al2O3摩尔比(n)对模拟高放废液硼硅酸盐玻璃固化体结构和性能的影响。利用红外光谱分析了不同Na2O/Al2O3摩尔比时硼硅酸盐玻璃固化体的结构变化,并用溶解速率法(DR)和全谱直读等离子发射光谱(ICP-OES)表征了所制备出固化体的化学稳定性。结果表明:在研究组分范围内,当n1.0时,硼硅酸盐玻璃固化体结构中Al以[AlO4]四面体的形式存在,但[BO3]三角体的量较大;随着Na2O/Al2O3摩尔比的增加(n=1.0),固化体结构中[BO3]三角体向[BO4]四面体转变,Al仍以[AlO4]四面体的形式存在,固化体结构稳定性增加;Na2O/Al2O3摩尔比继续增加(n=1.5或2.0),固化体成分中由于Al含量已很少而使[AlO4]含量过少,对固化体结构网络致密性的影响起主要作用,且此时成分中存在过多的碱金属离子在结构中起断网作用,玻璃固化体网络结构变疏松。在Na2O/Al2O3摩尔比为1.0时,玻璃固化体有相对较佳的结构稳定性和化学稳定性,浸泡56d后的失重速率为10-9 g/(cm2·min)数量级,且浸出液中各浸出离子的平均浓度最低。     

Investigation of Stable Al2O3 Scale on Fe-Al Aluminized Coating for Tritium Barrier

It is well known that α-Al₂O₃ phase has stablility performance, high permeation reduction factor and good resistance performance in liquid LiPb, which is considered as the reference tritium barrier coating in future fusion reactor. In order to study the formation mechanism of stable α-Al₂O₃ scales on fusion structure material, the oxidation behavior of Fe-Al aluminized coating on China Low Activated Martensitic （CLAM） steel was investigated under the oxygen partial pressure from 1 Pa to 20 kPa at the temperature of 940-980 ℃. The Al₂O₃ scales were analyzed by thermogravimetric analysis meter, grazing angle X-ray diffractometer, glow discharge spectrometer, focused ion beam and transmission electron microscope. A single continuous Al₂O₃ scales with the maximum thickness of about 2 000 nm was formed on the diffusion Fe-Al aluminized layer. Thermogravimetric analysis results show that the higher oxidation rate constant is achieved while increasing the oxygen partial pressure, and then oxidation rate constant decreases. The phase transformation of Al₂O₃ scales on the surface of Fe-Al aluminized coating was studied during different oxidation time ranges from 3 min to 180 min. The metastable γ-Al₂O₃ and α-（Al0.948Cr0.052）₂O₃ phases is formed in the earlier oxidation process and finally transformed to stable α-Al₂O₃ phase. The features of the transient α-（Al0.948Cr0.052）₂O₃（113） and α-Al₂O₃（113） were detected by GXRD and then confirmed by focused ion beam and transmission electron microscope.     

热-水-力-化学耦合作用下Ca0.86Nd0.14Ti0.86Al0.14SiO5固溶体的化学稳定性

以CaCO₃、Nd₂O₃、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃为原料,用固相法制备掺钕榍石固溶体（Ca_0.86Nd_0.14Ti_0.86Al_0.14SiO₅）。采用PCT法进行浸泡实验,借助X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）等分析手段,研究掺钕榍石固溶体在热 水 力 化学（THMC）耦合作用下的化学稳定性。结果表明,在pH值为5～9、温度150～200 ℃、压强0.476～1.554 MPa的耦合作用下,Ca_0.86Nd_0.14Ti_0.86Al_0.14SiO₅固溶体具有良好的化学稳定性;pH值、温度（压力）对Ca_0.86Nd_0.14Ti_0.86Al_0.14SiO₅固溶体中Si⁴⁺、Al³⁺、Nd³⁺的归一化浸出率无明显影响;Ca²⁺在200 ℃（1 554 MPa）时的抗浸出性能较150 ℃时的好;在浸泡初期（1～21 d）Ca²⁺在pH值为9时的抗浸出性能优于pH值为5和7时的,浸泡后期（28、42 d）3种溶液中固溶体的Ca²⁺抗浸出性能趋于一致;Ti⁴⁺在pH值为9时的抗浸出性能较pH值为5和7时的好。     

Spontaneous cationic Frenkel pair recombinations in lanthanum pyrozirconate (La2Zr2O7)

Spontaneous cationic Frenkel pair recombinations in lanthanum zirconate (La₂Zr₂O₇) pyrochlore are studied with empirical potential molecular dynamics. A complex behavior is observed depending on the distance between the vacancy and the interstitial and on the nature of the cations lying in between them. While interstitials of the first shell near a vacancy readily recombine, interstitials of the second shell never do. The third shell interstitials recombine in half the configurations, i.e. when the intermediate cation is lanthanum, leading to antisites when a zirconium defect pair is considered. The behavior is globally the same in the corresponding disordered fluorite structure, but we observed that in this structure, the number of spontaneous recombinations increases with temperature.     

Thermodynamic studies on Cs4U5O17(s) and Cs2U2O7(s) by emf and calorimetric measurements

The oxygen potentials over the phase field: Cs₄U₅O₁₇(s)+Cs₂U₂O₇(s)+Cs₂U₄O₁₂(s) was determined by measuring the emf values between 1048 and 1206 K using a solid oxide electrolyte galvanic cell. The oxygen potential existing over the phase field for a given temperature can be represented by: Δμ(O₂) (kJ/mol) (±0.5)=−272.0+0.207T (K). The differential thermal analysis showed that Cs₄U₅O₁₇(s) is stable in air up to 1273 K. The molar Gibbs energy formation of Cs₄U₅O₁₇(s) was calculated from the above oxygen potentials and can be given by, Δ_fG⁰ (kJ/mol)±6=−7729+1.681T (K). The enthalpy measurements on Cs₄U₅O₁₇(s) and Cs₂U₂O₇(s) were carried out from 368.3 to 905 K and 430 to 852 K respectively, using a high temperature Calvet calorimeter. The enthalpy increments, (H⁰_T−H⁰₂₉₈), in J/mol for Cs₄U₅O₁₇(s) and Cs₂U₂O₇(s) can be represented by, H⁰_T−H⁰_298.15 (Cs₄U₅O₁₇) kJ/mol±0.9=−188.221+0.518T (K)+0.433×10⁻³T² (K)−2.052×10⁻⁵T³ (K) (368 to 905 K) and H⁰_T−H⁰_298.15 (Cs₂U₂O₇) kJ/mol±0.5=−164.210+0.390T (K)+0.104×10⁻⁴T² (K)+0.140×10⁵(1/T (K)) (411 to 860 K). The thermal properties of Cs₄U₅O₁₇(s) and Cs₂U₂O₇(s) were derived from the experimental values. The enthalpy of formation of (Cs₄U₅O₁₇, s) at 298.15 K was calculated by the second law method and is: Δ_fH⁰_298.15=−7645.0±4.2 kJ/mol.