放射性核素的锆英石固化及抗γ射线辐照能力研究

摘要

为了研究锆英石对放射性核素的固化能力及抗γ射线辐照稳定性，采用高温固相反应法制备了锆英石(ZrSiO4)、Zr1-xEux+ySi1-yO(8-x-y)/2(x+y≤0.2)和 Zr1-xCex+ySi1-yO4(x+y≤0.2)系列样品，采集并从岩浆岩(11.01±0.24～439.8±4.3Ma)和变质岩(776±10～1483±13Ma)中分选出天然锆英石矿物。利用60Co源γ射线辐射装置分别对以上人工制备和天然矿物样品进行572.1～579.1kGy剂量的γ射线辐照研究。借助偏反多功能显微镜、阴极发光、背散射电子、电子探针、粉末X射线衍射、激光拉曼光谱、红外光谱和扫描电镜等多种表征手段对γ射线辐照前后样品的物相结构、微观形貌和化学成分进行观察与分析，并对天然样品的产出地质背景进行了研究。对本论文的研究工作和取得的结果，概括如下：
　　 (1)以ZrO2和SiO2混合粉体为原料，球磨15h，1500℃温度条件下保温4.5h，成功制备出纯度达98.67wt％以上的锆英石。经扫描电子显微镜研究发现，样品的粒度主要集中在0.2～1.5μm左右，以板块状为主。样品经572.1kGy的γ射线辐照后表面形貌未出现被明显损伤迹象，主物相仍为锆英石，无序化程度略有增强，结晶度较辐照前有所降低，但仍为99.06％以上，射线辐照前后样品晶胞参数变化范围为10-5～10-4nm量级。
　　 (2)为了模拟3价锕系核素在锆英石中的固化，用Eu3+作为锕系元素替代物，进行模拟固化体的合成实验研究。以ZrO2、SiO2和Eu2O3混合粉体为原料，球磨24h，1500℃温度条件下保温22h，成功制备出Zr1-xEux+ySi1-yO(8-x-y)/2(x+y≤0.2)系列样品。经扫描电子显微镜观察发现，系列样品的粒度主要集中在2～5μm左右，以板块状为主，并具有一定量的针状晶体出现，针状晶体的含量随Eu3+添加量的增加而增加。当x+y=0.05、0.10、0.15和0.20时，样品以锆英石为主物相，随着Eu3+添加剂量的增加，样品的无序化程度略有增加，但仍具有98.29％以上的结晶度。样品的XRD图谱中2θ=27.9°～29.9°范围内出现了未知的衍射峰，其物相有待于鉴别。Zr1-xEux+ySi1-yO(8-x-y)/2(x+y≤0.2)系列样品经579.1kGy的γ射线辐照后表面形貌均未出现被明显损伤迹象，主物相仍是锆英石，无序化程度略有增强，结晶度较辐照前有所降低，但仍为97.91％以上，射线辐照前后样品晶胞参数变化范围为10-5～10-4nm量级。
　　 (3)为了模拟4价锕系核素在锆英石中的固化，用Ce4+作为锕系元素替代物，进行模拟固化体的合成实验研究。以ZrO2、SiO2和CeO2混合粉体为原料，球磨24h，1500℃温度条件下保温22h，成功制备出Zr1-xCex+ySi1-yO4(x+y≤0.2)系列样品。经扫描电子显微镜研究发现，系列样品的粒度主要集中在5μm左右，以板块状为主。当x+y=0.05、0.10、0.15和0.20时，样品的主物相均是锆英石相，随着Ce4+添加剂量的增加，样品的无序化程度略有增加，但仍具有98.36％以上的结晶度。样品的XRD图谱中2θ=28.7°和2θ=29.8°位置出现了未知的衍射峰，有待于进一步深入研究。样品经576.8kGy的γ射线辐照后表面形貌均未出现被明显损伤迹象，主物相还是锆英石，而无序化程度略有增强，结晶度较辐照前有所降低，但仍为97.76％以上，射线辐照前后样品晶胞参数变化范围为10-5～10-4nm量级。
　　 (4)岩浆岩所产出的锆英石经过11.01±0.24～439.8±4.3M的地质演变后，对UO2和ThO2的包容量仍在0.1412～0.5798wt％之间，且具有较高的结晶度，晶胞参数变化程度集中在10-5～10-3nm量级。样品经576kGy的γ射线辐照后表面形貌未出现被明显损伤迹象，主物相为锆英石，晶胞参数较辐照前变化不大，变化范围集中在10-4～10-3nm量级。
　　 (5)变质岩所产出的锆英石经过776±10～1483±13M的地质演变后，对UO2和ThO2的包容量仍在0.118～0.3074％wt％之间，且具有98.79％以上的结晶度，晶胞参数变化程度集中在10-4～10-3nm量级。样品经576kGy的γ射线辐照后表面形貌未出现被明显损伤迹象，主物相仍是锆英石，其结晶度较辐照前虽略显降低，但仍高达98.24％以上，晶胞参数较辐照前未出现大的变化，变化范围集中在10-5～10-3nm量级。
　　 本论文所获得的研究成果将加深对锆英石基矿物用作固化高放废物候选基材的认识。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 研究背景与选题

1.2 锆英石基放射性核素固化载体的选择

1.2.1 锆英石的晶体结构

1.2.2 锆英石对集放射性元素的富集能力

1.2.3 锆英石优越的物理化学性质

1.3研究概述

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方案与技术路线

1.3.3 拟解决关键问题

1.3.4 研究创新点

2 锆英石的制备与γ射线辐照稳定性

2.1 锆英石的制备

2.1.1 化学试剂和实验仪器

2.1.2样品制备

2.2 锆英石的γ射线辐照

2.2.1 实验原料和仪器设备

2.2.2 实验方法

2.3 样品表征

2.3.1 粉末X射线衍射分析

2.3.2 拉曼光谱分析

2.3.3 红外光谱分析

2.3.4 扫描电镜分析

2.4 测试结果与讨论

2.5本章小结

3 锆英石基三价模拟核素固化与γ射线辐照稳定性

3.1 锆英石基三价模拟核素固化

3.1.1化学试剂和实验仪器

3.1.2样品制备

3.2 锆英石基三价模拟核素固化的γ射线辐照

3.2.1实验原料和仪器设备

3.2.2实验方法

3.3样品表征

3.3.1 粉末X射线衍射分析

3.3.2 拉曼光谱分析

3.3.3 红外光谱分析

3.3.4 扫描电镜分析

3.4 测试结果与讨论

3.5本章小结

4 锆英石基四价模拟核素固化与γ射线辐照稳定性

4.1 锆英石基四价模拟核素固化

4.1.1化学试剂和实验仪器

4.1.2样品制备

4.2 锆英石基四价模拟核素固化的γ射线辐照

4.2.1化学试剂和实验仪器

4.2.2实验方法

4.3样品表征

4.3.1粉末X射线衍射分析

4.3.2 拉曼光谱分析

4.3.3 红外光谱分析

4.3.4 扫描电镜分析

4.4 测试结果与讨论

4.5本章小结

5 岩浆岩中锆英石的结构演变及γ射线辐照稳定性

5.1样品采集

5.1.1 念青唐古拉花岗岩的采集

5.1.2 桂东北同安石英二长岩的采集

5.1.3 川南德昌茨达碱性岩的采集

5.1.4 内蒙古白音宝力道花岗斑岩的采集

5.2 锆英石的分选

5.2.1实验设备

5.2.2实验方法

5.3 岩浆岩中锆英石的γ射线辐照

5.3.1 实验原料和仪器设备

5.3.2实验方法

5.4样品表征

5.4.1 偏反多功能显微镜分析

5.4.2 阴极发光分析

5.4.3 背散射电子分析

5.4.4 电子探针分析

5.4.5 粉末X射线衍射分析

5.4.6 拉曼光谱分析

5.4.7 红外光谱分析

5.4.8 扫描电镜分析

5.5 测试结果与讨论

5.5.1 样品的岩石学特征

5.5.2 锆英石的化学成分与γ射线辐照前后结构变化

5.6本章小结

6 变质岩中锆英石的结构演变及γ射线辐照稳定性

6.1样品采集

6.1.1 北祁连牛心山变质杂岩的采集

6.1.2 琼中高级变质杂岩的采集

6.2 锆英石的分选

6.3 变质岩中锆英石的γ射线辐照

6.3.1 实验原料和实验仪器

6.3.2实验方法

6.4样品表征

6.4.1 偏反多功能显微镜分析

6.4.2 阴极发光分析

6.4.3 背散射电子分析

6.4.4 电子探针分析

6.4.5 粉末X射线衍射分析

6.4.6 拉曼光谱分析

6.4.7 红外光谱分析

6.4.8 扫描电镜分析

6.5 测试结果与讨论

6.5.1 样品的岩石学特征

6.5.2 锆英石的化学成分与γ射线辐照前后结构变化

6.6本章小结

结 论

致 谢

主要参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果