利用锆纳米层调控碳化硅中铯离子迁移的核燃料屏障研究

本文推荐：研究团队创新性地采用锆(Zr)纳米层修饰碳化硅(SiC)表面，探究其对核燃料裂变产物铯(Cs)的阻隔机制。通过离子注入与高温退火实验(900-1000℃)，发现Zr层可形成铯锆酸盐(Cs2ZrO3)暂时固定Cs，但在接近Cs2ZrO3熔点(1010℃)时会形成碳化锆(ZrC)导致Cs逃逸，为TRISO(三结构各向同性)核燃料包覆层设计提供关键温度阈值参考。

　　

Highlight

本研究通过锆(Zr)纳米层与碳化硅(SiC)的协同作用，揭示了核燃料裂变产物铯(Cs)的高温迁移调控机制。

实验方法

采用多晶SiC晶片注入300 keV铯离子(Cs⁺)，剂量1×10¹⁶ cm^?2，部分样品镀150 nm锆层。通过真空退火(900-1000℃)模拟反应堆工况，结合拉曼光谱(Raman)和卢瑟福背散射(RBS)分析Cs迁移行为。

SRIM模拟

SRIM(离子在物质中的阻止与射程)模拟显示Cs在SiC中的实际分布深度与理论预测高度吻合，同时计算出每个原子的平均位移(dpa)值，为辐射损伤评估提供依据。

结论

• 900℃时Zr层向SiC扩散形成Cs₂ZrO₃，有效捕获Cs

• 1000℃时Cs₂ZrO₃升华并生成ZrC，导致Cs逃逸机制改变

• 警示Zr-SiC双层结构在高温工况(≥1010℃)下的Cs滞留局限性

CRediT作者贡献声明

第一作者H.A.A. Abdelbagi主导实验设计、数据分析和论文撰写，通讯作者C. Ronning负责资金支持与成果验证，团队多位成员参与样品制备与表征工作。

利益冲突声明

所有作者声明不存在可能影响本研究客观性的财务或个人关系。

致谢

感谢TWAS-IsDB博士后基金、祖鲁兰大学及南非国家研究基金会(NRF)的资助支持。