福建省清洁核能燃料系统与材料联合创新重点实验室核用稀土高熵陶瓷开发取得新进展----中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心

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福建省清洁核能燃料系统与材料联合创新重点实验室核用稀土高熵陶瓷开发取得新进展

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时间：2024-06-13 来源：杨帆课题组文本大小：【大 | 中 | 小】【打印】

先进核能作为新质生产力之一，在推动实现“双碳”战略目标中扮演着关键角色。我国已将先进核能作为能源供应安全的“压舱石”，对核电的安全稳定发展提出了更高的要求。核安全是核能发展的关键，新一代核反应堆对于核材料在高温、强辐照条件下的稳定长时服役的要求日益增加。新兴的高熵材料具有较高的混合熵和迟滞扩散效应，可以有效提高材料的耐辐照性能和高容错性能。这其中，稀土核安材料具有耐高温、耐辐照的优势，备受瞩目。

基于此，中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心杨帆课题组（福建省清洁核能燃料系统与材料联合创新重点实验室）率先开发了一系列核用稀土高熵新材料（Mater & Design.2021,205,109722; J. Mater. Sci. Technol.2023,155,1-9）[1-2]。近期，基于先进核能系统对堆用中子吸收控制材料高温尺寸稳定性和长时服役的新需求，新开发了高熵稀土钨酸陶瓷的堆用中子吸收控制材料。本文选择镧系中半径差相对较大的稀土元素组合，以高熵固溶的设计理念，新合成的(Sm_0.2Eu_0.2Gd_0.2Dy_0.2Y_0.2)₂W₃O₁₂在提高材料耐辐照性的同时，成功实现了单斜结构稀土钨酸盐热膨胀系数的调节。和单一组分钨酸钆对比，新设计的高熵稀土钨酸盐热膨胀系数降低15.7%，达到中热膨胀水平。在4.58×10¹⁶ ions/cm²高剂量的Kr⁺离子辐照后，高熵稀土钨酸盐的体积膨胀仅为0.71%，远低于单组分钨酸钆，表现出优良的抗辐照肿胀能力。作为可替代碳化硼、银铟镉等传统中子吸收控制材料，新型耐高温、耐辐照、可长时服役的稀土钨酸/铪酸高熵陶瓷体系的堆用中子吸收控制材料将为我国先进核能发展注入新质生产力。

该成果以“High-temperature dimensional stability and radiation behavior of high-entropy rare earth tungstate ceramics”为题发表在陶瓷领域TOP期刊《Ceramics International》上（10.1016/j.ceramint.2024.05.134）发表[3]，张金成硕士研究生为第一作者，杨帆研究员、黄民忠助理研究员为通讯作者。本研究获中核领创、福建省自然基金、中国科协青年精英科学家资助计划项目、厦门科技专项的资助。

参考文献：

[1]Zhang X, Li Y, Li C, Yang F*, Jiang Z*, Xue L, Shao Z, Zhao Z, Xie M, Yu S. A novel (La_0.2Ce_0.2Gd_0.2Er_0.2Tm_0.2)₂(WO₄)₃ high-entropy ceramic material for thermal neutron and gamma-ray shielding. Materials & Design, 205 (2021) 109722.

[2]Wu J, Zhang M, Li Z, Huang M, Xiang H, Xue L, Jiang Z, Zhao Z, Wei L, Zheng Y, Yang F*, Ran G*, Zhou Y*, Chen H*. High-entropy (Sm_0.2Eu_0.2Gd_0.2Dy_0.2Er_0.2)₂Hf₂O₇ ceramic with superb resistance to radiation-induced amorphization. Journal of Materials Science & Technology，155（2023）1-9.

[3]Zhang J, Xue L, Zhang W, Pan Y, Wang H, Wang K, Chen H, Huang M*, Yang F *. High-temperature dimensional stability and radiation behavior of high-entropy rare earth tungstate ceramics. Ceramics International.（https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.134）

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