金红石辐照损伤的分子动力学模拟

吴晓华，王 刚，李伟民

1.绵阳市聚合新材料有限公司，四川 绵阳 621025；2.西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010

核能开发和应用的同时会产生大量的放射性废物。这些放射性废物对所有生命形式和环境均有害，需要与生物圈永久隔离。低水平和一些中等水平放射性废物需要储存在近地表处置库中数百年，而高放射性废物(HLW)，由于它们漫长的半衰期必须深埋在高放射性废物处置库中数万年。对于高放废物一个可行的方案是将它们固基材化在玻璃或陶瓷基材中，然后长期贮存在高放射性废物处置库中。Ringwood等[1]提出了一种名为SYNROC的合成岩石作为固化HLW的多相材料。 SYNROC主要由三种钛酸盐材料(钙钛锆石、钙钛矿和碱硬锰矿)、金红石和少量合金相组成。二氧化钛主要有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型。金红石作为宽带隙半导体，已被广泛用于光催化[2-4]和稀磁半导体[5-6]。金红石具有四方结构(P42/mnm空间群)，晶胞参数a=b=0.459 4 nm，c=0.295 9 nm[7]。

离位阈能(threshold displacement energy，TDE)是将原子从其原始晶格位置移位到缺陷位置的最小能量，这对于估计材料的辐射耐受性至关重要[8-9]。早期Buck等[10]使用高压电子显微镜(HVEM)和透射电子显微镜(TEM)获得了金红石的TDE值。结果表明，Ti的TDE为45～50 eV，O的TDE为33 eV。Smith等[11]使用时间分辨阴极发光光谱(TRCS)确定了金红石中O的TDE为(39±4) eV。

分子动力学(MD)模拟的应用可以更好地理解辐射损伤的机理。 Richardson[12]最初计算了金红石的TDE值，结果显示Ti的TDE≈50 eV，O的TDE≈10～40 eV。在晶体中，TDE值与初级击出原子(primary knock-on atom，PKA)的离位方向有关，不同离位方向的TDE值不同。……