钡硼硅酸盐玻璃陶瓷固化模拟三价锕系核素研究

摘要

钙钛锆石基玻璃陶瓷作为锕系高放废液固化基材具有很好的发展前景。本文以 Nd3+模拟三价锕系核素，采用熔融-热处理工艺制备钙钛锆石-钡硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体，研究了钙钛锆石-钡硼硅酸盐玻璃陶瓷组成(Si/Ba比、Si/B比、晶核剂掺量）、模拟锕系核素及Al2O3掺量和热处理工艺对其晶相、显微结构的影响，采用产品一致性测试法(PCT法)评价了玻璃陶瓷固化体的抗浸出性能，并对钙钛锆石、榍石晶相的析晶机制进行了探讨分析。
　　对于SiO2-B2O3-Na2O-BaO-CaO-TiO2-ZrO2-(Nd2O3)体系玻璃陶瓷，在1100~1250℃熔融可以制得均质玻璃，所得玻璃样品的玻璃转变温度在580~660℃范围内，晶化温度在850~1050℃；当Si/Ba比为2~4和Si/B比为1~2时，可以得到单相的钙钛锆石（CaZrTi2O7）；当氧化钙（CaO）、二氧化钛（TiO2）和锆英石（ZrSiO4）总含量为45-55 wt％，玻璃陶瓷中包含 CaZrTi2O7和CaTiSiO5晶体；CaO、TiO2和ZrSiO4总含量为45 wt%的玻璃陶瓷具有较好的抗浸出性能，28天后B、Na和Nd元素的归一化浸出率（LRB、LRNa和LRNd）分别为8.8×10-3 g·m-2·d-1,7.7×10-3 g·m-2·d-1和7.5×10-6 g·m-2·d-1。采用Kissinger和Ozawa方法计算获得钙钛锆石晶体的析晶活化能和Avrami指数分别为124.38 kJ/mol(Kissinger方法)和3.4，为三维晶体生长机制；榍石晶体的析晶活化能和Avrami指数分别为166.13 kJ/mol(Kissinger方法)和2.2，为二维晶体生长机制；当热处理温度在750~850℃范围内，均为单一的条状钙钛锆石晶体，在900~1050℃范围内热处理时，出现钙钛锆石和榍石晶体。
　　当Nd2O3的含量为2~6 wt%时，玻璃陶瓷体内为条状的钙钛锆石和砖块状的榍石晶体，当Nd2O3的含量增加到8 wt%时，开始出现方形的钛酸钙晶体，且随着Nd2O3含量（8~12 wt%）的增加而增多。在含有6 wt% Nd2O3的玻璃陶瓷中，约有47%的Nd元素分布在钙钛锆石和榍石晶体内，且具有较好的抗浸出性能，在42天后LRB、LRCa和LRNd分别为6.79×10-3 g·m-2·d-1、1.61×10-3 g·m-2·d-1和4.8×10-6 g·m-2·d-1。当添加Al2O3为2 wt%时，方形的钛酸钙晶体开始析出，且随着 Al2O3含量增加而增多，榍石晶体随 Al2O3含量增加到6 wt%时基本消失；PCT结果表明，Al2O3的添加对本体系玻璃陶瓷固化体的化学稳定性无显著影响。

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1 研究背景

1.1 高放废物概述

1.2 高放废物处理技术研究现状

1.3 课题来源和选题意义

1.4 研究内容与创新点

2 固化体的制备及表征方法

2.1 实验原料及设备

2.2 固化体的制备

2.3 样品性能表征

3 钡硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体的组成、结构和性能研究

3.1 Si/Ba对玻璃陶瓷固化体的影响

3.2 Si/B对玻璃陶瓷固化体的影响

3.3 晶核剂含量对玻璃陶瓷固化体的影响

3.4 小结

4 玻璃陶瓷固化体的析晶机制及热处理工艺研究

4.1 固化体的析晶机制研究

4.2 玻璃陶瓷固化体的热处理工艺研究

4.3 小结

5 模拟三价锕系核素在玻璃陶瓷中的包容量研究

5.1 Nd2O3含量对玻璃陶瓷固化体结构和化学稳定性的影响

5.2 Al2O3对玻璃陶瓷固化体结构和化学稳定性的影响

5.3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果