γ-铀-锝体系中扩散行为与金属间相的形成机制及其在核燃料循环中的意义

研究人员针对核燃料循环中关键裂变产物锝(Tc)与铀(U)的相互作用机制这一空白领域，通过扩散偶实验结合扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)，在800℃下发现四种新型金属间相(U7 Tc3 、U13 Tc12 、U3 Tc5 、UTc4 )并首次测定其扩散系数(10-18 -10-14 m2 /s)，为锕系冶金学与核燃料性能预测提供关键数据。

　　

在核能领域，锝-99(⁹⁹
Tc)作为铀裂变产生的高产额(6.1-6.2%)长寿命同位素(t_1/2
=21.1万年)，其与铀的相互作用直接影响核燃料性能与废物处理。然而，过去60年间仅报道过两种Tc-U合金(U₂
Tc和UTc₂
)，且缺乏结构表征和扩散数据。这种知识空白严重制约了新型金属/陶瓷燃料开发与核取证分析。为此，美国能源部核安全管理局资助的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果，首次揭示γ-U(高温铀相)与Tc在800℃下的扩散行为与相形成规律。

研究采用扩散偶实验结合扫描电镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)分析技术，通过Boltzmann-Matano方法计算扩散系数。实验在符合放射性防护标准的实验室完成，使用HEPA过滤通风橱处理β放射性的⁹⁹
Tc样品。

实验结果显示：

1. 相组成鉴定：发现四种新型金属间相，其化学计量比分别为U₇
   Tc₃
   、U₁₃
   Tc₁₂
   、U₃
   Tc₅
   和UTc₄
   ，突破了此前仅知两种Tc-U相的认知。
2. 扩散动力学：测得各相扩散系数依次为120×10^-18
   、38.2×10^-18
   、15.6×10^-18
   和1.51×10^-18
   m²
   /s，而Tc在U中的固溶体扩散系数高达10^-14
   m²
   /s量级。
3. 行为特征：Tc表现出与4d贵金属(Ru、Rh、Pd)相似的相形成倾向，而非与同族元素Re或Mo类似。

结论与意义：
该研究首次建立Tc-U体系的扩散动力学数据库，揭示Tc在铀基体中的异常高渗透性。发现的金属间相为理解乏燃料中"ε相"(Tc-Mo-Ru-Rh-Pd合金)的形成机制提供新视角，其扩散系数数据可直接用于燃料性能建模。从基础科学角度，证实Tc的化学行为更接近铂族金属而非过渡金属，这一发现对锕系-过渡金属合金理论的完善具有里程碑意义。研究结果为先进核燃料设计、乏燃料后处理及核废物固化技术开发奠定了关键材料科学基础。