模拟核素的硼硅酸盐玻璃及玻璃陶瓷固化技术研究

摘要

核能在为人类做出巨大贡献的同时，也产生了大量的放射性废物，它们对人类生存和自然环境造成了直接或潜在的危害。为了得到适于固化核废料的玻璃固化体，适应其更高性能的发展趋势。本文以SiO2、 Al2O3、B2O3、CaO、Na2O、TiO2为原料，加入5wt％ CeO2作为模拟核素，利用熔融冷却法制备硼硅酸盐玻璃固化体，对模拟锕系元素的放射性废物进行固化处置。通过傅里叶红外光谱仪、差热分析仪、拉曼光谱等对玻璃固化体结构进行表征，以电感耦合等离子体质谱测试玻璃固化体的抗浸出性能。结果表明:随着SiO2/B2O3比例变小，玻璃固化体玻璃化转变温度Tg的变化趋势为先增大后减小;玻璃中存在的[SiO4]、[BO3]、[BO4]等基团，随着B2O3含量的增大，部分[BO4]转变为[BO3]，当B2O3含量达到17.82 wt％，玻璃基体中[BO3]和[BO4]数量达到一定平衡，此时玻璃网络结构最为致密;玻璃密度则是先增大后减小，密度最大达到2.58g/cm3; Ce在产品一致性测试法(PCT)下标准化浸出率NR先减小后增大，B2O3含量达到17.82 wt％时玻璃抗浸出效果最好;与未加TiO2玻璃基体相比，少量TiO2的加入对于增强玻璃网络结构起到了重要作用，表现为添加TiO2的样品抗浸出性能显著提高，TiO2添加量为3wt％时Ce元素标准浸出率最低，14天的浸出率为5.59×10-6g/(m2·d)，达到微晶玻璃抗浸出性能级别。
　　以Y2O5、 SiO2、 Al2O3、 Na2O、K2O、Li2O为原料，加入0.5wt％ CeO2作为模拟核素，探讨组分差异和热处理温度对YAG(Y3Al5O12)微晶玻璃析晶的影响，结果表明:Y2O3-Al2O3-SiO2-K2O(YASK)系微晶玻璃析晶形为比较复杂，随着热处理温度的升高，析出晶相有YAM(Y4Al2O9)、K1+xAl1+xSi1-xO4、 Y2SiO5、YAG，直到1300℃热处理后，YAG(Y3Al5Oi2)晶相才开始析出;Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O(YASL)系微晶玻璃中YAG析出温度较低，1000℃热处理后，就有YAG晶相生成。随着热处理温度提高，杂相逐渐减少，1300℃热处理三小时后，形成纯相YAG晶相;随着热处理温度的升高，YAG晶体的平均尺寸变大，晶体形状由圆球状变为方形，颗粒分布越来越均匀。对YAG微晶玻璃固化体抗浸出性能研究表明:随着浸出时间的延长，固化体Ce浸出率首先迅速下降，然后保持稳定;随着热处理温度的升高，YASL微晶玻璃浸出率呈现下降趋势，热处理温度1300℃时固化体抗浸出性能最佳（浸出率3.6×10-6 g/(m2·d)）;YASK微晶玻璃Ce元素浸出率比普通玻璃低一个数量级，850℃热处理的样品浸出率最低(4.0×10-6g/(m2·d))。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 放射性废物简介

1．3 放射性废物处置

1．3．1 放射性废物固化

1．3．2 放射性废物地质处置

1．4 高放废物的玻璃固化

1．4．1 高放废物玻璃固化分类

1．4．2 高放废物玻璃固化的稳定性

1．4．3 高放废物玻璃固化技术研究现状

1．5 高放废物的玻璃陶瓷固化

1．6 玻璃固化体腐蚀机理

1．7 本课题研究目的与意义

第二章 实验过程

2．1 实验原料和设备

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验设备

2．2 制备过程

2．2．1 普通玻璃制备

2．2．2 微晶玻璃制备

2．3 测试方法

2．3．1 差热分析(DTA)

2．3．2 物相分析(XRD)

2．3．3 傅里叶红外光谱(FTIR)

2．3．4 紫外激光拉曼光谱(Raman)

2．3．5 扫描电镜(SEM)

2．3．6 化学稳定性测试

2．3．7 体积密度

第三章 硼硅酸盐玻璃固化体结构及性能研究

3．1 放射性废物模拟物的选择

3．2 硼硅酸盐玻璃固化体制备工艺及结构研究

3．2．1 SiO2／B2O3对玻璃固化体制备及结构的影响

3．2．2 TiO2含量的变化对玻璃固化体制备及结构的影响

3．3 硼硅酸盐玻璃固化体性能研究

3．3．1 玻璃固化体密度性能研究

3．3．2 玻璃固化体浸出性能研究

3．3．3 硼硅酸盐玻璃固化体漫出行为研究

3．4 本章小结

第四章 YAG：Ce微晶玻璃固化体制备与性能研究

4．1 Y2O3-Al2O3-SiO2-K2O微晶玻璃固化体制备

4．1．1 Y2O3-Al2O3-SiO2-K2O微晶玻璃固化体组成范围

4．1．2 Y2O3-Al2O3-SiO2-K2O微晶玻璃固化体热处理制度

4．1．3 热处理温度对Y2O3-Al2O3-SiO2-K2O微晶玻璃固化体析晶影响

4．2 Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体制备

4．2．1 Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体组成范围

4．2．2 Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体制备工艺

4．2．3 热处理温度对Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体析晶影响

4．2．4 热处理温度对Y2O3-Al2O3-SiO2-H2O微晶玻璃固化体微观形貌的影响

4．3 YAG微晶玻璃固化体性能研究

4．3．1 Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体抗浸出性能

4．3．2 Y2O3-Al2O3-SiO2-Li2O微晶玻璃固化体抗浸出性能

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的论文