核能前沿科学问题与纳米技术

铀过氧化物纳米束 -多金属氧酸盐
Uranyl-Peroxide interactions favor nanocluster Self-assembly
(a) Dimers of uranyl peroxide oxalate polyhedra in K6(H2O)4[(UO2)2(O2)(C2O4)4]. (b) Five-membered rings of uranyl peroxide oxalate polyhedra in the structure of K10[(UO2)(O2)(C2O4)]5(H2O)13. (c) Six membered rings of uranyl peroxide oxalate polyhedra in the structure of Na12[(UO2)(O2)(C2O4)]6(H2O)29. (d) Polyhedral, ball-and-stick, and polyhedral connectivity representations of the U-20 cluster in the compound Na11(N(C3H7)4)(H2O)9[(UO2)20(O2)30].
金属有机结构纳米管 Th[C6H3(CO2)3F]• 0.3H2O [ Nanotubules based on actinide-organic framework]
1.5 nm
π-π stacking
Light yellow needle-shaped crystals.
Th[C6H3(CO2)3F]• 0.3H2O was synthesized hydrothermally by combining N(CH3)4-Cl, Th(NO3)4.6H2O, 1,3,5-benzenetricarboxylic acid, HF, DMF and H2O in a Teflon-lined autoclave at 140 °C for 1 d J. Am. Chem. Soc. 2008, 130:3762-3763.
1. 核能发展面临的的关键问题 2. 纳米技术的特点 3. 核能纳米技术 3.1 先进的纳米结构核材料 3.2 可控，有序化，自组装技术与乏燃料后处理过程 3.3 超分子识别技术与核化学分离 3.4 纳米分子探针与超高灵敏度的核检测新技术 3.5 大科学装置与极端条件下的核能材料新特性 3.6 锕系5f-电子相对论效应与理论前沿 4. 结束语
核燃料 : (1) 维持稳定的能量输出; (2) 提高能量转化效率
Cross section view of the maximum power position in a U-Pu oxide sphere-pac fuel segment.
(U,Pu)C fuel irradiated in the Phenix reactor
1.Basic research needs for advanced nuclear energy systems, DOE report. 2006, 346. 2. http://itu.jrc.ec.europa.eu/index.php?id=475
锕系元素纳米复合材料
1. 金属有机纳米管 2. 无机骨架纳米管（如有机分子诱导自组装纳米材料） 3. 锕系元素过氧化物纳米球和纳米束 4. 锕系元素复合物的纳米晶 5. 锕系元素纳米合金 6. 锕系元素纳米陶瓷材料（锕系金属氧化物合金）
Outline of the Talk(s)
1. 核能发展面临的的关键问题 2. 纳米技术的特点 3. 核能纳米技术 3.1 先进的纳米结构核材料 3.2 可控，有序化，自组装纳米技术与乏燃料后处理过程 3.3 超分子识别技术与核化学分离 3.4 纳米分子探针与超高灵敏度的核检测新技术 3.5 大科学装置与极端条件下的核能材料新特性 3.6 锕系5f-电子相对论效应与理论前沿 4. 结束语
● 高放废物体积 可降低1～2个数量级
这些解决方案所面临的
具有共性的重大关键科学问题
1. (核)材料科学问题， 如
(1) 新一代核反应堆高性能的核燃料核材料 (2) 极端条件下的核材料(核燃料)的性能研究
2. 化学问题，如
(1) 乏燃料高效后处理中的基础化学过程 (2) 新型核化学分离过程的新原理
无机骨架纳米管 Crown Ether as Template
([18]crown-6)]2[(UO2)14(SO4)19(H2O)4](H2O)20.5
Framework of [(UO2)14(SO4)19(H2O)4]10-
2 nm 2 nm
Crystal structure along the c axis. U polyhedra are dark gray, S polyhedra are light gray; H2O and H3O+ are gray; C atoms are white.
美国高度重视纳米技术 在能源领域应用的基础研究
“To build a secure energy future for America, we need to expand production of clean, safe nuclear power.” —— President George W. Bush, Ronald Reagan Building June 15, 2005
（如超临界流体萃取技术、离子液体技术、纳米技术等）。
亟待解决的关键问题，举例（续）
3. 锕系复合物的固体化学特性：如利用纳米技术合成和表征技 术研究锕系材料的微结构，深入理解和掌握锕系元素及其复 合物的设计、以及固体化学特性的控制原理. 是研制先进核燃料的关键基础。 4. 核材料在极端条件下的变化规律：研究在极端条件下，核材 料（核燃料、包壳）随时间（从飞秒到天之间）的性质变化 过程，尤其是纳米尺度上微结构的变化规律。 是研制耐高温、耐辐照、耐腐蚀的核燃料的关键基础。
Center for Functional Nanomaterials (Brookhaven National Laboratory)
Center for Nanoscale Materials (Argonne National Laboratory)
Molecular Foundry (Lawrence Berkeley National Laboratory)
Highly Porous Uranyl Selenate Nanotubules
1.5 nm
J. Am. Chem. Soc. 2005, 127:1072-1073. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44:1134-1136. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44:4836-4838.
Nature 2004, 429, 238-240.
3. 检测技术，如
与核安全相关的新型探测技术
5. 理论问题，如
锕系5f-电子相对论效应问题
6. ……
亟待解决的关键问题，举例
1. 先进核燃料的结构和物理化学性质预测：需要锕系元素 理论化学取得突破 (强关联效应、自旋-轨道耦合、电子 相对论效应、热力学与相平衡）。 2. 先进核燃料循环技术：需要发展新型分离方法。如研究 设计全新、稳定的纳米分子体系，在放化分离中不仅能 够识别特定的核素、而且具有高选择性、辐照稳定性等
Center for Nanoscale Materials Sciences (Oak Ridge National Laboratory)
Center for Integrated Nanotechnologies (Sandia & Los Alamos National Labs)
Outline of the Talk(s)
锕系过氧化物纳米球-多金属氧酸盐
Actinyl Peroxide Nanospheres
Polyhedral representations of spherical actinyl peroxide nanoclusters. found in a) U24 and Np-24, b) U-28, and c) U-32 and Ac–Ac connectivity diagrams for d) Np-24, e) U-28, and f) U-32.
Nature Materials. 2008, 7:680-682.
Outline of the Talk(s)
1. 核能发展面临的的关键问题 2. 纳米技术的特点 3. 核能纳米技术 3.1 先进的纳米结构核材料 3.2 可控，有序化，自组装纳米技术与乏燃料后处理过程 3.3 超分子识别技术与核化学分离 3.4 纳米分子探针与超高灵敏度的核检测新技术 3.5 大科学装置与极端条件下的核能材料新特性 3.6 锕系5f-电子相对论效应与理论前沿 4. 结束语
什么是纳米技术？
从不同的角度有四种提法：
什么是纳米科技？
(1) 把纳米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米精度的 “加工”，人工形成纳米大小结构的技术。有人把通过超精细加工制作 的微机电装置也称为纳米装置； (2) 在材料领域，把纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料的性能 的改变称为纳米技术; (3) 从原子、分子出发来构建特殊的结构，制造具有所需功能的分子结构，利用生物的自识别、自组装、自复制 的功能，制造特定的纳米产品。
双清论坛
“核能发展中的关键科学问题”
核能前沿科学问题与纳米技术
赵宇亮 柴之芳
中国科学院高能物理研究所 国家纳米科学中心
Nature. 2004, 429:238-240.
2010年1月14-15日 北京
Outline of the Talk(s)
1. 核能发展面临的关键问题 2. 纳米技术的特点 3. 核能纳米技术 3.1 先进的纳米结构核材料 3.2 可控，有序化，自组装纳米技术与乏燃料后处理过程 3.3 超分子识别技术与核化学分离 3.4 纳米分子探针与超高灵敏度的核检测新技术 3.5 大科学装置与极端条件下的核能材料新特性 3.6 锕系5f-电子相对论效应与理论前沿 4. 结束语