模拟高放废液玻璃固化体热学性能

玻璃固化技术是目前国内外HLW(高放废液)固化处理最主要的手段。高放废液中含有镧和铀,但镧、铀对固化工艺的影响鲜有报道。为对比镧、铀对玻璃固化体熔制工艺和产品性能的影响,分析不同镧铀比例下的各方面差异,以模拟高放废液的硼硅酸盐玻璃固化体作为实验材料,采用XRD(X射线衍射)、SEM(扫描电子显微镜)等表征方法研究玻璃固化体在不同热处理温度下的析晶行为和热稳定性。结果表明:在800、900、1000℃下,不同镧/铀配比的样品外观差别不大,热处理实验证实固化体样品在800—900℃热处理温度内有晶体析出,其中800℃热处理温度析晶最为严重。

浅谈核固废钢桶自动取封盖装置设计思路

自动取封盖装置是核电厂或核废物固化处理生产线必不可少的一套自动化设备,主要用于低、中水平放射性固体废物包装容器钢桶的取封盖操作。其中,钢桶定位、螺栓/螺孔定位以及桶盖抓取功能是其重要的三个功能。本文以我国沿海某市三个已运行的核电站项目中,三个不同设计模式的自动取封盖装置为例,探讨了实现其三个功能的机械电控结构及存在的设计问题。基于上述对比分析,本文针对钢桶定位、螺栓/螺孔定位以及桶盖抓取功能,提出了一些改进的设计思路,对于后续优化改进自动取封盖装置具有现实意义。

玻璃固化用冷坩埚底部结构设计对电磁场影响的模拟分析

冷坩埚玻璃固化技术是高放废液玻璃固化技术的重点研究方向之一。坩埚底作为冷坩埚的重要部件,影响冷坩埚的透磁性、密封性、强度和漏料工艺。为提高冷坩埚漏料效率,需要增强漏料口附近的磁感应强度。本文使用COMSOL Multiphysics软件建立了冷坩埚电磁感应模型,研究了坩埚底结构设计对冷坩埚内部磁场和电磁损耗的影响。模拟结果显示:改变坩埚底部分瓣数对坩埚内部磁场、坩埚底部磁场和坩埚底电磁损耗的影响较小;增加开缝宽度可有效增强坩埚内部磁场,降低坩埚底的电磁损耗,并使玻璃熔体的加热效率增加约6%;增加开缝深度可增加坩埚底部中心附近玻璃域的磁感应强度和底部玻璃熔体的电磁损耗占比。

铁磷摩尔比对含锆铁磷酸盐玻璃陶瓷结构和化学稳定性的影响

以P_(2)O_(5)-Fe_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-Na_(2)O四元玻璃作为基础,掺入x=6%(摩尔分数)的ZrO_(2),改变基质玻璃的Fe/P摩尔比(r(Fe/P)),采用熔淬法制备一系列玻璃陶瓷样品,研究含ZrO_(2)的玻璃陶瓷结构和化学稳定性随Fe/P摩尔比的变化。X射线衍射用于物相分析,拉曼光谱、X射线光电子能谱和穆斯堡尔谱用于结构分析。Fe/P摩尔比小于0.18时,样品中Fe^(3+)的相对含量(n(Fe^(3+))/(n(Fe^(2+))+n(Fe^(3+)))摩尔比)随着r(Fe/P)增加而增多;r(Fe/P)介于0.18~0.32时,n(Fe^(3+))/(n(Fe^(2+))+n(Fe^(3+)))在60%左右波动。r(Fe/P)介于0.2~0.3时,样品的化学稳定性最好。

动力堆模拟高放废液的甲醛脱硝及脱硝过程中的沉淀行为

两步法玻璃固化工艺中,高放废液可通过化学脱硝达到降低酸度的目的,常用的化学脱硝剂有甲酸、甲醛、蔗糖等。以甲醛为化学脱硝剂,对动力堆模拟高放废液进行脱硝及脱硝过程中沉淀行为进行研究。模拟高放废液在90℃、脱硝比例为1.0~2.0范围内进行脱硝,对脱硝后各物质运用电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES)、X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、Raman光谱、X射线衍射(XRD)、热重分析仪(TG)进行分析。结果表明:脱硝后废液中NO_(3)^(-)含量明显降低,随脱硝比例增大,NO_(3)^(-)的含量逐渐降低,甲醛含量增加。脱硝过程中出现由Zr、Mo、La、Ce、Nd、Fe、Te、Pr、Cs、Sm、Cr、Sr、Y、Co、Ni组成的沉淀,沉淀的形成有两个过程:一个过程为形成颗粒状的结晶物Ln_(2)Zr_(3)(MoO_(4))_(9)(Ln=La、Ce、Nd、Pr、Eu、Sm)和MoO_(2);另外一个过程为形成由O、Fe、Zr、Mo、Te构成的无定形粉末物质;脱硝产物的热分解主要发生在约360℃以下。

国内外最新科技发现和创新技术成果荟萃

我国攻克核废料高放废液玻璃固化焦耳炉炉衬材料关键技术,日前从中国建筑材料科学研究总院有限公司获悉,该院所属瑞泰科技成功自主研发玻璃固化焦耳炉用高性能熔铸耐火材料。这是我国首次攻克核废料高放废液玻璃固化焦耳炉炉衬材料关键技术和工艺,对推动我国核能源工业的安全和可持续发展具有重大意义。

废机油包容量对水泥固化体性能的影响

本文采用硫铝酸盐水泥结合乳化固化法对模拟放射性废机油进行固化处理,以固化体中不同机油包容量为变量,参照国标GB 14569.1—2011分析了固化体的力学性能、抗浸出性能及冻融性能。结果表明,当机油包容量小于25%(质量比)时,固化体性能满足国标GB 14569.1—2011相关要求。在此基础上,采用梯度升温法、TG、XRD、静态氮吸附仪考察了不同机油固化体的热稳定性能、孔隙率及物项组成,实验结果表明,固化体中机油包容量小于16.67%时,固化体热稳定性性能优良,机油包容量为12.5%时,固化体微观孔隙和孔径最小,故该包容量下固化体强度最高,当机油包容量小于25%时,机油不会抑制硫铝酸盐水泥的水化过程及水泥固化体的孔径分布微分曲线。

铂系金属沉积对高放废液玻璃固化的影响

高放废液中的钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)等铂系金属元素在玻璃固化过程中会发生团聚并沉积在熔炉底部。铂系金属的沉积会导致熔炉内局部的玻璃密度、熔体电导率和黏度发生变化,容易引起焦耳加热陶瓷熔炉的加热电极短路和出料口堵塞等问题,同时对玻璃固化体的质量产生影响。本文基于对国内外有关玻璃固化过程中铂系金属沉积机制及其性能影响研究进展的调研,综述了铂系金属在玻璃熔体中的结晶机理,分析观察其生长、团聚和分布规律;研究了铂系金属对玻璃熔体电导率和黏度影响的机理机制,对影响电导率和黏度的各种因素进行了总结;论述了铂系金属沉积对玻璃固化体核素浸出率的影响;最后提出和归纳了解决玻璃固化过程中铂系金属沉积的办法。

(Sr_(0.1)Th_(0.2)Nd_(0.3)La_(0.2)Gd_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)高熵烧绿石固化体的制备及化学稳定性

以金属硝酸盐为原材料,通过溶胶-喷雾热解-高温烧结法制备了(Sr_(0.1)Th_(0.2)Nd_(0.3)La_(0.2)Gd_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)高熵烧绿石固化体。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、Raman光谱对固化体结构进行表征,通过MCC-1浸出实验方法分析了固化体化学稳定性。研究结果表明:高熵烧绿石固化体为纯相高熵烧绿石结构,最佳烧结温度为1500℃。随着烧结温度增加,固化体晶粒和密度明显增加。浸出实验结果显示:La、Gd、Zr、Nd元素42 d归一化浸出率为10^(-6)g/(m^(2)·d)量级,Sr、Th元素的42 d归一化浸出率分别为10^(-5)g/(m^(2)·d)和10^(-3)g/(m^(2)·d)量级,固化体表现出良好的化学稳定性。

模拟动力堆高放废液玻璃固化体的析晶行为及其对浸出率的影响

玻璃固化技术是国内外目前主要的高放废液固化处理手段。针对模拟高燃耗动力堆高放废液,研究了废物氧化物包容量为24%(质量分数,下同)和30%时玻璃固化体在不同热处理温度下的析晶行为以及析晶对玻璃固化体抗浸出性能的影响。根据X射线衍射、拉曼光谱和扫描电子显微镜分析结果,当热处理温度为800℃时,玻璃固化体析出晶体相为树枝状的钼酸钙CaMoO_(4)和丝状的锆铈氧化物Zr_(x)Ce_(1-x)O_(2);当热处理温度为950℃时,除钼酸钙和锆铈氧化物之外,玻璃固化体中还有大量的空心六方柱形的硅氧磷灰石相Ca_(2)Ln_(8)(SiO_(4))_(6)O_(2)析出。根据抗浸出性能检测结果,玻璃固化体经热处理析晶后其归一化质量损失降低了约1/3,B、Na、Mo、Ca等的归一化质量损失也有明显下降。且950℃热处理比800℃热处理后的玻璃固化体归一化质量损失更小。结果表明热处理析晶可提升玻璃固化体抗浸出性能。

离子辐照导致硼硅酸盐玻璃浸出性能的变化

在高放射性废物深地质处置过程中,放射性核素衰变引起的强辐射场会导致玻璃固化体浸出性能的变化。本工作利用15 MeV Si离子辐照模拟深地质处置强辐射场,采用MCC-1静态浸泡法在pH=9.0的KOH溶液中对硼硅酸盐玻璃分别浸泡1、3、7、14、28 d,结合电感耦合等离子体发射光谱仪、拉曼光谱仪以及扫描电镜研究了辐照前后玻璃样品的浸出行为。结果表明:随着浸出时间推移,玻璃表面会不断地腐蚀脱落;辐照后玻璃样品的浸出率明显高于未辐照玻璃样品的,蚀变层结构与元素组成无明显差异,但厚度明显增大;形成的蚀变层中Na元素和B元素基本耗尽;蚀变层中SiO_(2)网络体结构溶解,生成大量的Si—OH键及硼硅酸盐结构,并出现四配位B单元向三配位B单元的转变。

水合稀土磷酸盐的热行为及其相变产物的化学稳定性

水合稀土磷酸盐(LnPO_(4)·n H_(2)O)对锕系核素选择性高、载荷量大,易在酸性溶液中制备,是沉淀-富集高放废液中锕系核素的理想材料之一。本工作利用沉淀法制备水合稀土磷酸盐(LnPO_(4)·0_(6)67H_(2)O,Ln=La、Eu、Gd),研究了LnPO_(4)·0_(6)67H_(2)O的热行为及其相变产物的化学稳定性。结果表明,LnPO_(4)·0_(6)67H_(2)O结构稳定性和脱水吸附可逆性良好,其晶型转变过程为LnPO_(4)·0_(6)67H_(2)O 25-80℃LnPO_(4)·0.5H_(2)O 80-240℃LnPO_(4)661-935℃独居石;LnPO_(4)·0_(6)67H_(2)O及其相变产物具有优异的化学稳定性,在溶液(pH=3/7、T=90/150℃)浸出28 d后归一化浸出率LR Ln为10^(-7)~10^(-4)g/(m^(2)·d);热处理可提高水合稀土磷酸盐的化学稳定性,GdPO_(4)·0_(6)67H_(2)O及其相变产物的化学稳定性顺序为GdPO_(4)·0_(6)67H_(2)O<脱水相(GdPO_(4)·n H_(2)O)<钆独居石,pH值对稀土磷酸盐化学稳定性的影响大于温度对其的影响。

富烧绿石人造岩石固化模拟锕系废物

采用国际上较少研究的烧绿石为主要矿相 ,针对分离的锕系核素进行人造岩石固化研究。设计并制备了对模拟锕系元素包容量为 4 6 8%的富烧绿石人造岩石固化体。对其物理性能、抗浸出性能、耐辐照性能和微观结构进行的研究结果表明 :富烧绿石人造岩石固化体具有很好的性能。

锕系核素的人造岩石固化

介绍了锕系核素人造岩石固化的基本原理，概述了钙钛锆石的晶体结构和主要性质以及锕系核素和稀土类似物在其中的固溶情况，讨论了富钙钛锆石型人造岩石固化锕系核素的配方设计。表明用此方法包容高放废液中锕系核素具有良好的前景。

富烧绿石型人造岩石固化模拟锕系元素废液的研究

采用与钙钛锆石 (Zirconolite)性能相近的烧绿石 (Pyrochlore)为主要矿相 ,制备了对锕系元素废液有不同包容量 (37%～ 5 0 % )的人造岩石固化体 ,测定了其物理性能。应用X射线衍射(XRD)、扫描电镜能谱分析 (SEM /EDS)研究了其矿相组成、微观结构和相组分分析 ,并采用产品一致性测试 (PCT)粉末浸泡法研究其抗浸出性能。研究结果表明 ,富烧绿石人造岩石是固化锕系元素废液并最终进行地质处置的理想固化体。

喷雾热解合成An_2Zr_2O_7(An=La、Nd)烧绿石及结构分析

锆基烧绿石An2Zr2O7以优异抗辐照性能和化学稳定性成为高放废物中锕系核素的理想固化基材。镧系核素常作为替代核素进行锕系核素的固化研究,实验以硝酸盐为原料,以三价的镧系元素(La、Nd)模拟锕系元素,采用sol-喷雾热解方法在1 200℃、6h内合成了(La、Nd)2Zr2O7烧绿石。采用粉末X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱分析方法对合成的样品进行了结构表征,结果表明:利用该方法合成了单一物相的烧绿石立方结构An2Zr2O7;相对于La2Zr2O7的烧绿石结构,Nd2Zr2O7烧绿石具有向萤石结构转变的趋势。该合成方法为目前的高放废液人造岩石固化提供了一定的技术基础。

钕在钙钛锆石和榍石组合矿物中的固溶机制

以ZrSi O4、CaCO3、Ti O2、Al2O3、Nd2O3为原料,引入Al3+作价态补偿,通过固相反应制备包容模拟三价锕系核素Nd的钙钛锆石(CaZrTi2O7)和榍石(CaTiSi O5)组合矿物固化体。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)研究其矿相组成、微观结构和元素分布,探讨Nd在钙钛锆石和榍石组合矿物固化体中的固溶机制。研究表明:钙钛锆石和榍石组合矿物固化体较佳的合成条件是在1 230℃条件下保温30 min,较佳配方的摩尔比为n(Ca1-x/2-y/4Nd(x+y)/2Zr1-y/4Alx/2Ti2-x/2O7)∶n(Ca1-xNdxAlxTi1-xSi O5)=[4/(4-y)]∶1;Nd3+能够进入钙钛锆石和榍石晶格,榍石能够固溶Zr4+、Al3+、Nd3+,Zr4+和Nd3+取代Ca2+位,Al3+占据Ti4+位,钙钛锆石能够固溶Al3+、Nd3+,Nd3+进入Ca2+位和Zr4+位,Al3+占据Ti4+位。

含氚废水水泥固化实验研究

研究用水泥固化处理氚废水,并选择了最佳配方:水与灰的重量比=0.45～0.5,水泥与石膏重量比=5∶1。用IAEA推荐的方法做浸出实验。为了减少水泥固化体中氚的浸出量,实验了几种涂层材料。沥青涂层可将固化体氚的浸出率降低1～2个量级。

放射性废有机溶剂的热解焚烧处理

参照国外资料，开展了放射性废有机溶剂热解焚烧处理过程的试验研究。首先进行了热解过程的小试验，在此基础上设计并建成了处理能力为３ｋｇ／ｈ的台架试验装置。在台架试验中研究了各单元过程的规律和主要设备的性能，确定了运行的工艺条件，并进行了１４ｄ的连续运行试验。测试结果表明，本装置具有很高的磷固定效率和良好的放射性净化效果，过程进行平稳，易于控制。热解残渣用水泥进行固化，按照推荐配方得到的水泥浆和水泥固化体的性能均满足相应的技术要求，热解残渣的包容量可达２７．５％（Ｗｔ）。

CeO2掺量对铝硼硅玻璃固化体抗浸出性能的影响

通过XRD、XPS、SEM和ICP-MS等表征方法,研究不同掺量下CeO2在铝硼硅玻璃固化体中物相的变化及其对抗浸出性能的影响。结果表明:玻璃网络结构中nCe4+∶nCe3+=9.25∶1,且CeO2质量分数达到或超过7%时,固化体内开始析出方铈矿晶体结构。1 d时随着CeO2掺量的增加,玻璃固化体rCe先降低后升高,28 d时则表现出逐渐降低的趋势。而在同一CeO2掺量下,rCe随浸出时间的延长逐渐降低,其中CeO2质量分数为9%的玻璃样品bE的rCe在7 d后稳定在4×10-6g.m-2.d-1以下,抗浸出性能较为优异。因此控制CeO2在一定范围内过量析出,可获得抗浸出性能优于完全溶于玻璃体的固化体。