复相玻璃陶瓷固化锕系模拟核素和钼及其机制的研究

作     者：万伟 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：霍冀川;朱永昌;张行泉

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：高放废物 复相玻璃陶瓷 原位热处理 钙钛锆石 钼钙矿 

摘      要：核能是一种零碳排放的新型能源形式,其开发和利用都将无可避免地产生高放废物。然而,高放废物具有放射性强、生物毒性大等特点,因此,必须得到安全有效的固化处理。玻璃固化是目前唯一实现工程化应用的高放废物固化方式,但其存在对高放废物包容量低的问题。随着核事业的发展,未来产生的高放废物将越来越多,低包容量的玻璃固化方式无法满足高放废物的处理需求,因此,有必要开发对高放废物具有更高包容量的固化基材。本文针对富锕系核素、富钼高放废物的成分特点,拟通过开发复相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体以增加难溶元素在固化体中的包容量,为提高玻璃陶瓷固化体对富锕系核素、富钼高放废物的包容量提供研究方向。以钙钛锆石和钼钙矿为目标晶相,采用原位热处理工艺制备了钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体。通过热分析、X-射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜、电感耦合等离子体发射光谱等测试手段对玻璃陶瓷固化体物相、微结构、元素赋存状态以及化学稳定性进行表征。研究结果表明,采用原位热处理工艺成功制备了钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体,同时实现了锕系模拟核素和钼的有效晶格固化;相比于Na离子,[Mo O]四面体结构单元在析晶过程中优先通过Ca离子进行电荷补偿形成钼钙矿晶体;钙钛锆石和钼钙矿在析晶过程中存在关于Ca离子的竞争;钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体对Mo O的包容量可达4.88 wt%,是目前常用硼硅酸盐玻璃固化体对Mo O包容量的1.3～1.9倍;Ca O、Ti O、Zr O作为晶核剂,其含量的增加有利于钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷析晶,当其含量不足时(≤30wt%),玻璃陶瓷将会出现表面析晶现象,当其含量为50 wt%时,玻璃陶瓷基体中将会析出钙钛矿晶体,明确了该钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷体系的最佳Ca O、Ti O、Zr O含量为40 wt%;Ce、Nd分别进入钙钛锆石不同位点,随着NdO含量的增加,钙钛锆石晶体(004)晶面发生畸变,导致钙钛锆石在析晶过程中出现孔洞,但对元素浸出率无明显影响;钙钛锆石、钼钙矿基复相硼硅酸盐玻璃陶瓷固化体具有良好的化学稳定性,归一化元素浸出率的数量级在10 g·m·d以下,符合固化体深地质处置要求,是固化富锕系核素、富钼高放废物潜在的固化基材。