Ce/Nd掺杂与合成方法对核用烧结氧化锆陶瓷结构的协同调控机制

为解决核废料中次锕系元素(MA)的长期放射性难题，研究人员通过溶胶-凝胶法(CSGP)和机械合金化(MA)制备Ce/Nd掺杂的Y2O3-ZrO2陶瓷，结合SPS烧结技术，首次发现阳离子/阴离子亚晶格有序化差异，为核用惰性基质燃料(IMF)开发提供新思路。

　　

随着核能应用的扩展，如何处理核废料中的次锕系元素（MA）如镎(Np)、镅(Am)、锔(Cm)成为世界性难题。这些元素半衰期长、放射性高，传统储存方式面临严峻挑战。科学家们提出将MA嵌入惰性基质燃料（IMF）的创新方案，其中氧化锆(ZrO₂)因其低中子吸收截面和高化学稳定性成为理想候选。然而，如何通过掺杂稳定其高温相变结构，以及不同合成方法对最终性能的影响机制，仍是亟待解决的科学问题。

波兰国家核研究中心的Kinga Suchorab团队在《Journal of Molecular Structure》发表研究，通过对比机械合金化（干法）和溶胶-凝胶法（湿法）两种合成路线，结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)三维表征技术，首次揭示了Ce/Nd掺杂氧化锆陶瓷中阳离子与阴离子亚晶格有序化的差异规律。

研究采用三大关键技术：1）通过热重-差示扫描量热法(TGA-DSC)确定600℃为最佳煅烧温度；2）利用火花等离子烧结(SPS)在1500℃/50MPa条件下实现98%理论密度；3）采用双Voigt函数模型分析XRD数据，结合拉曼光谱区分立方(c)、四方(t/t'')相等复杂物相。

【3.1 初始材料表征】

TGA-DSC显示湿法样品在600℃完成前驱体分解。XRD证实湿法煅烧后出现阳离子有序但阴离子无序的特殊结构——这是全球首次报道的发现。拉曼光谱进一步验证该现象，而干法样品则保持Nd₂O₃/CeO₂杂质相。

【3.2 烧结材料分析】

SPS处理后，所有样品均实现Nd/Ce离子掺入ZrO₂晶格。湿法制备的ZrYCe样品晶格参数从5.147?增至5.2065?，形成纯立方相；而干法样品呈现四方(t'')与立方混合相。特别值得注意的是，含Nd样品在200-450cm^-1出现异常拉曼峰，被归因于高掺杂导致的晶格膨胀效应。

该研究突破性地证明：溶胶-凝胶法能实现原子级均匀掺杂，而机械合金化需要更优化参数才能达到相同效果。这一发现为核燃料陶瓷的精确调控提供了理论依据——通过选择合成方法和掺杂类型，可定向制备立方相（适合高辐照环境）或四方相（具有更优机械性能）材料。研究建立的"合成方法-结构-性能"关联模型，将加速第四代核反应堆用IMF材料的开发进程。