熔盐法低温合成掺钕ZrSiO_(4)陶瓷的物相演变和化学稳定性

相较于传统固相烧结方法,熔盐在较低的温度下提供了快速的传质和成核过程,可合成用于固化高放废物(HLW)的陶瓷固化体。本工作采用熔盐法(MSS)在不同烧结温度(1100、1200、1300、1400、1500℃)和不同烧结时间(3、6、9、12、15 h)下制备了掺Nd的锆石(ZrSiO_(4))陶瓷(Zr_(1-x)Nd_(x)SiO_(4-x/2)(0≤x≤0.1)),并采用静态浸出试验(PCT)研究掺Nd的ZrSiO_(4)陶瓷在模拟地质处置环境下的化学稳定性。在熔盐与氧化物最佳摩尔比为10:1、烧结温度为1200℃、烧结时间为6 h的较温和条件下,利用熔盐法成功合成了Zr_(1–x)Nd_(x)SiO_(4–x/2),可将Nd在ZrSiO_(4)中的固溶摩尔分数提高到8%,结果显示MSS法能够降低陶瓷合成温度,缩短合成时间,提高固溶量。ZrSiO_(4)陶瓷对三价锕系核素的固化机理为晶格固化。浸出实验结果显示,Nd的归一化浸出率(LRNd)低至~10–5 g·m^(–2)·d^(–1)。浸出前后ZrSiO_(4)陶瓷未发生物相演变,展现出较好的结构稳定性。浸出模型显示Nd浸出归因于陶瓷表面层发生溶解。研究结果表明,MSS法是一种高效的合成陶瓷固化体的手段。

YIG陶瓷对三价锕系模拟核素的固化行为研究

石榴石具有较大的锕系包容量及化学灵活性,被认为是潜在的锕系核素固化基材。本工作以Nd^(3+)模拟三价锕系核素,通过高温固相法成功合成了Y_(3–x)Nd_(x)Fe_(5)O_(12)(0≤x≤2)系列钇铁石榴石(YIG)固化体。研究了Nd在YIG固化体中的固溶极限和Nd掺杂量对固化体的物相和微观结构的影响规律,以及不同pH条件下Nd掺杂钇铁石榴石固化体的化学耐久性。研究结果表明,当x≤1.7时,YIG基固化体为纯相YIG;当x≥1.8时,YIG基固化体中YIG、NdFeO_(3)和Fe_(2)O_(3)三相共存。纯相YIG基固化体对Nd^(3+)的固溶极限约为29.5%(质量分数)。随着Nd掺杂量增加,固化体的密度增大,体积减小,孔隙率减小。浸出实验结果显示,28 d后元素归一化浸出率(LR_(i))逐渐趋于平衡,42 d后,其元素的LR_(i)为10^(-6)~10^(–5) g·m^(-2)·d^(–1)。LR_(Y)小于LR_(Nd),且酸性溶液中元素归一化浸出率也略高于中性和碱性溶液。这些结果表明,YIG陶瓷是理想的三价锕系核素候选固化基材。