辉石玻璃及玻璃陶瓷固化模拟富钼放射性废物的研究

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核能的开发和利用在为人类发展做出巨大贡献的同时也产生了大量的乏燃料,乏燃料后处理将会产生大量高水平放射性废物(HLW),其中包括锕系核素、外加剂和腐蚀物、裂变产物。Mo是裂变产物主要成分之一,其在硅酸盐玻璃中的溶解度较低,这限制了HLW在硅酸盐玻璃中的包容量,因此,有必要提高玻璃中Mo的溶解度以提高其对HLW的包容量。针对我国某动力堆富钼高放废物的特点,本论文以透辉石为原料,Nd2O3模拟锕系核素,通过高温熔融-淬火工艺制备了玻璃陶瓷固化体。探索了MoO3、Nd2O3在透辉石玻璃中的赋存状态并确定了其溶解度、Nd2O3对透辉石玻璃中MoO3溶解度的影响及其机理,以及透辉石玻璃对模拟高放废物的固化初步研究。结合X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)等分析测试手段对其结构和化学稳定性等性能进行了表征。主要结论如下:(1)MoO3在透辉石玻璃中的溶解度为8 wt%,超过其溶解度后MoO3会以圆球状Ca MoO4晶体的形式析出。PCT测试结果表明Si、Ca和Mo元素的浸出率LRSi、LRCa和LRMo在10-5~10-7 g·m-2·d-1、10-5~10-6 g·m-2·d-1和10-4~10-6g·m-2·d-1数量级之间,Ca MoO4晶体的的存在对Mo元素的浸出率没有不利影响。透辉石玻璃中至少能溶解15 wt%的Nd2O3,掺杂20 wt%的Nd2O3时会在玻璃基体中析出六边形中空管状氧基磷灰石Ca2Nd8(Si O4)6O2晶相,Si元素的浸出率LRSi保持在10-5~10-7 g·m-2·d-1数量级之间。(2)在富钼透辉石玻璃中按浓度梯度依次增加Nd2O3的掺量,发现在Nd2O3掺量到20 wt%时,Ca MoO4的析晶趋势随着Nd2O3掺量的增加而逐渐降低。研究表明Nd2O3进入玻璃网络后存在于玻璃网络的解聚区域,Nd3+和[MoO4]2-就电荷补偿形成一种竞争机制,改变了玻璃中[MoO4]2-周围的环境,从而抑制钼酸钙的析出。固化体具有优良的化学稳定性,样品中LRSi、LRCa和LRMo在10-5~10-7g·m-2·d-1、10-4~10-6 g·m-2·d-1和10-5~10-6 g·m-2·d-1数量级之间。(3)对透辉石玻璃固化模拟高放废物的固化量及固化体的性能进行了初步探索,在废物掺量为30 wt%和40 wt%的样品表面分离出成分复杂的黄色分相,对不含该分相的玻璃态部分进行分析表明,样品的密度随着模拟高放废物掺量的增加而增大,固化体中Si、Nd元素的浸出率LRSi和LRNd在10-5~10-7 g·m-2·d-1和10-4~10-6 g·m-2·d-1数量级之间,制备的固化体具有良好的化学稳定性。
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