模拟双核素放射性废物的钆锆烧绿石固化及稳定性研究

摘要

为研究钆锆烧绿石同时固化不同价态高放核素的能力及其稳定性，本研究选取了具有代表性的 Nd3+和 Ce4+分别作为 An3+和 An4+的模拟核素，采用高温固相法在1500℃、保温72 h实验条件下成功制备出钆锆烧绿石基模拟双核素双位替代的放射性废物固化体，并对其物相、微观形貌、晶体结构、硬度、密度、化学稳定性及辐照稳定性进行了系统研究，结果表明：
　　（1）所制备的固化体均为单一物相， Gd2-xNdxZr2-yCeyO7（0.0≤x≤2.0,y=0及1.6≤x≤2.0,0.0≤y≤0.4）为烧绿石相，其余样品为萤石相；固化体的晶胞参数随掺杂物 Nd3+、Ce4+添加量增加近线性增大，相对应的 XRD衍射峰向小角度方向偏移。SEM照片显示固化体整体呈板块状凝结，具有一定的空隙，晶粒尺寸为2μm左右，样品表面元素分布均匀。
　　（2） Gd2-xNdxZr2-yCeyO7（0.0≤x,y≤2.0）系列固化体的实测密度集中在4.862-7.089 g/cm3之间，相对密度为76％至98%，致密性较好。固化体的理论及测试密度随 Ce添加量的增加逐渐变大，随 Nd添加量的增加逐渐减小。系列固化体样品的维氏硬度集中在208.587-1146.714 kg·mm-2之间，其变化规律与密度一致。
　　（3） Gd2-xNdxZr2-yCeyO7（0.0≤x,y≤2.0）系列固化体在不同温度及浸泡时间条件下，浸出液中核素的浸出浓度（10-4~10-2μg/ml）均较低。浸出液中各组成元素的归一化浸出率按 Gd3+(10-3~10-5 g·m-2·d-1)， Nd3+(10-3~10-7 g·m-2·d-1)， Ce4+(10-5~10-6 g·m-2·d-1)， Zr4+(10-5~10-7 g·m-2·d-1)依次递减。所有元素的浸出率均在浸泡的第1天最高，随后元素归一化浸出率随浸泡时间的增加呈减小趋势；同一组分的样品中各元素在70℃下的浸出浓度及浸出率均略高于40℃。各固化体浸出液的 pH值与电导率与空白试剂相比，未发生明显变化。固化体具有良好的化学稳定性。
　　（4）经不同时间的重离子辐照后， Gd2Zr2O7部分由烧绿石结构向萤石型结构转化， Gd2Ce2O7及 Nd2Ce2O7一直保持着萤石型结构，Nd2Zr2O7一直保持为烧绿石型结构。随辐照时间增加，Gd2Zr2O7、 Gd2Ce2O7、Nd2Ce2O7的 X射线衍射峰向小角度方向偏移，其晶胞参数及晶面间距逐渐增大；而 Nd2Zr2O7的 X射线衍射峰向大角度方向偏移，其晶胞参数及晶面间距随辐照时间增加而减小。固化体辐照前后的SEM照片显示， Gd2Zr2O7及 Nd2Zr2O7在辐照后，受照表面出现了一些空洞，而 Gd2Ce2O7在受照前后表面微观形貌变化不大。与 Gd2Ti2O7相比，Gd2Zr2O7、 Gd2Ce2O7、Nd2Ce2O7及 Nd2Zr2O7具有较好的辐照稳定性。

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1 绪论

1.1 研究背景及选题

1.2高放废物的人造岩石固化

1.3研究概述

2 钆锆烧绿石基模拟双核素双位替代放

2.1 固化体配方的设计

2.2 实验原料及仪器设备

2.3 固化体的制备

2.4 本章小结

3 钆锆烧绿石基模拟双核素双位替代放

3.1 固化体的物相组成及晶体结构的测试及分析

3.2 固化体的微观形貌及元素分布测试与分析

3.3 固化体的物理性能测试与分析

3.4固化体的化学稳定性测试及表征

3.5 本章小结

4 钆锆烧绿石基模拟双核素双位替代放

4.1实验原料及仪器设备

4.2辐照实验的设计

4.3 固化体的辐照实验

4.4 实验结果与分析

4.5本章小结

5 主要结论、创新点及后续研究方向

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 本文的不足之处及后续工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文