Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的制备及其在多因素耦合作用下的化学稳定性

摘要

本文用镧系元素镨(Pr)模拟三价次锕系核素镎(Np)，以Pr6O11、NH4H2PO4和Ce2(C2O4)3?10H2O为原料，采用常压、热压烧结工艺制备掺镨铈独居石陶瓷固化体（Ce0.5Pr0.5PO4），借助 X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、能谱（EDS）等分析测试手段，研究了两类烧结方法制得的Ce0.5Pr0.5PO4独居石陶瓷固化体的较佳制备工艺，分析了其相组成、密度及显微结构等。结果显示，常压烧结制备掺镨铈独居石（Ce0.5Pr0.5PO4）陶瓷固化体的较佳工艺为1500 oC保温4 h，晶粒呈圆状,有少量的孔洞,固化体相对密度可达到94.05％，晶相为Ce0.5Pr0.5PO4固溶体，平均晶粒大小约为2?m；热压烧结制备单相掺镨铈独居石（Ce0.5Pr0.5PO4）陶瓷固化体的较佳工艺为1150 oC保温2 h(30MPa)，固化体相对密度为99.67%，其晶粒细小、结合紧密。采用MCC静态浸出实验法，用水热反应釜装置模拟深地质处置环境，借助电感耦合等离子体发射光谱-质谱（ICP-MS），研究 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体在热-水-力-化学(THMC)耦合作用(90-200℃,0.101-1.554 MPa，pH=3-11)下的化学稳定性以及烧结方式对固化体化学稳定性的影响。结果显示，常压、热压烧结Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体在90℃、pH=7的浸出液中均具有良好的化学稳定性，热压烧结的Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的化学稳定性略优于常压样品，42d时，热压烧结和常压烧结固化体中Ce的归一化浸出率分别为7.6×10-7g·m-2·d-1、4.2×10-6g·m-2·d-1;Pr的归一化浸出率为3.6×10-7g·m-2·d-1、4.1×10-6g·m-2·d-1；在THMC耦合作用(90-200℃，0.101-1.554 MPa，pH=5-11)下，热压烧结的Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体具有很好的化学稳定性，固化体中Ce的归一化浸出率在7.6×10-7~1.5×10-5g·m-2·d-1，Pr的归一化浸出率在3.6×10-7~3.8×10-5g·m-2·d-1；pH值(90℃)对热压烧结的Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体中Ce、Pr元素的化学稳定性影响较大，其在弱酸性环境(pH=3、5)中的化学稳定性最差，在弱碱性环境(pH=9、11)中次之，在中性水溶液(pH=7)中的化学稳定性最好，42d，pH=3时，Ce、Pr元素的归一化浸出率≤~10-3g·m-2·d-1，pH=5时，Ce、Pr元素的归一化浸出率≤~10-5g·m-2·d-1，pH=7时，Ce、Pr元素的归一化浸出率≤~10-7g·m-2·d-1，pH=9-11时，Ce、Pr元素的归一化浸出率≤~10-6g·m-2·d-1；温度(pH=7)对热压烧结 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体中Ce、Pr元素的化学稳定性的影响较小，随着浸出温度的升高，固化体浸出率逐渐升高；
　　采用压痕法，使用维氏硬度计测定常压、热压固化体以及浸出后的样品的硬度。分析结果表明，常压烧结 Ce0.5Pr0.5PO4固化体的硬度小于热压烧结固化体，这与固化体的致密度和物相组成有关，1500 oC常压烧结4 h的样品硬度为6.2 GPa，1150 oC热压烧结2 h的样品硬度为7.5 GPa；浸出后常压烧结的Ce0.5Pr0.5PO4固化体样品的硬度显著降低，而热压烧结的样品的硬度值却稍有提高。

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1 绪论

1.1 放射性废物概述

1.2 高放射性废物的固化处理

1.3 独居石陶瓷固化体的研究现状

1.4 课题来源及主要研究内容

1.5 本课题创新点

2 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的常压烧结研究

2.1 实验

2.2 结果分析与讨论

2.3 小结

3 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的热压烧结及表征

3.1 实验

3.2 结果分析与讨论

3.3 小结

4 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的化学稳定性

4.1 实验

4.2 结果分析与讨论

4.3 小结

5 Ce0.5Pr0.5PO4陶瓷固化体的硬度研究

5.1 实验

5.2 实验结果与讨论

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