掺铬（Ln,U）O2 废燃料模型材料中 Cr 与 稀土“灰相”的物相与辐照稳定性

这项研究对核能为何重要

核电常被宣传为未来低碳能源体系的骨干，但燃料在完成使命后如何处置仍是一个重大关切。本研究考察了一类新一代的二氧化铀（UO₂）燃料，这些燃料中掺入了微量铬和其他元素。添加剂可以提升燃料在堆内的性能并减少乏燃料体积，但它们也会改变经过多年辐照后形成的微观内部结构。理解这些变化对于预测乏燃料在几十年贮存或处置过程中的行为至关重要。

带有隐性“助力者”的更聪明燃料颗粒

现代反应堆燃料越来越多地采用所谓先进技术燃料，在经典 UO₂ 的基础上做细微改性。仅加入几百 ppm 的铬就能促使燃料颗粒内部的显微晶粒长大。较大的晶粒更能捕获裂变气体，从而允许燃料在被取出前使用更长时间并达到更高的“燃耗”。公用事业公司还加入某些稀土元素（如钆）以在运行中协助控制堆功率。尽管这些手段改善了堆内性能，但对于所有这些添加剂在燃料被强烈辐照并成为乏燃料后如何重新分布，目前知之甚少。

用高分辨率 X 射线探测燃料内部化学

对高度放射性的乏燃料进行直接实验在技术上很困难，因此研究人员制备了受控的模型材料。他们合成了同时含有微量铬和相当比例镨或钆的二氧化铀，这些元素模拟了重要裂变产物和置换产物的行为。利用高能同步辐射 X 射线和一种称为 HERFD‑XANES 的高分辨率技术，他们不仅能够区分晶体中铀的位置，还能确定铀的氧化态以及铬和稀土原子的配位方式。这些测量表明，引入三价稀土离子会促使部分铀发生氧化，微弱收缩晶格并改变内部电荷平衡。

意外形成的灰相岛屿

最为显著的发现是，铬和稀土并未像简单溶解度极限所预期的那样均匀溶解于二氧化铀中。相反，大量铬与镨或钆及氧结合，形成一类具有钙钛矿型结构的混合氧化物，化学式可写为 LnCrO₃。这些化合物与传统乏燃料中已知的所谓“灰相”非常相似，但在这里它们由通常更倾向于留在燃料基体中溶解的元素构成。高级谱学分析表明，即便总体铬含量远低于预期会出现独立铬相的水平，约有三分之二到四分之三的铬仍迁移进入了这些类似灰相的区域。

在强烈离子轰击下测试韧性

新显微相的形成立即提出一个问题：这些微小岛屿在燃料内部的极端辐照场和长期贮存条件下是否稳定？为此，团队制备了两种钙钛矿化合物（PrCrO₃ 和 GdCrO₃）的纯化颗粒样品，并用高能金离子束轰击其抛光表面以模拟严重的辐照损伤。电子显微图像显示，近表面的原有清晰晶粒结构变得平滑且呈玻璃态，表明发生了部分无定形化。然而，掠入射 X 射线衍射（用于探测近表层）仍然显示出原有钙钛矿晶体的特征衍射峰，尽管峰值变宽并发生位移。也就是说，尽管材料遭受严重损伤，但其基础结构与相识别性依然存在。

对乏核燃料未来的意义

对非专业读者来说，关键信息是：为提升堆内性能而加入的微量铬，会促使燃料在退役后形成新的、非常稳定的混合氧化物岛屿。这些类似灰相的口袋将铬和某些类似裂变产物的元素固定在一种耐热、耐化学和耐辐照的结构中。从遏制放射性角度看这是令人安心的，但这也意味着掺铬先进燃料的乏燃料内部构成将不同于传统 UO₂。为旧式燃料设计的处置与溶解模型或需修订以反映这种新的相化学。简而言之，提升堆内燃料性能不可避免地重塑了燃料退役后长期行为的图景。

引用: Shirokiy, D., Bukaemskiy, A., Henkes, M. et al. Speciation and radiation stability of Cr and Ln “Grey-Phases” within Cr-doped (Ln,U)O₂ spent fuel model materials. npj Mater Degrad 10, 39 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00752-5

关键词: 掺铬核燃料, 废燃料灰相, 二氧化铀微观结构, 钙钛矿型混合氧化物, 辐照损伤耐受性