[发明专利]一种烧绿石型稀土锆酸盐固化锕系核素的方法

说明书

技术领域

本发明属于放射性核废料处理技术领域，具体涉及一种烧绿石型稀土锆酸盐固化锕系核素的方法。

背景技术

着核技术应用的发展，核废料的排放量与日俱增。高放废物中含有大量超铀锕系元素，如钚（Pu）、铀(U)、镎(Np)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)等，以及长寿命裂变产物和高放射性的⁹⁰Sr和¹³⁷Cs，它们产生的α、β、γ、χ、中子等高能射线能诱发动植物基因突变，严重威胁地球的生态环境。因此，核废料的安全处理和处置已成为目前解决核污染、进一步开发利用以及实现核能可持续发展的重要保障。

目前核废料的处理有两种方法：一是先分离-嬗变( P-T)，即把长寿命、高放射性的锕系核素分离出来，通过高能加速器，快中子堆或聚变堆将其嬗变为短寿命或稳定核素，然后将它们和中低放废物一起进行固化处理。但实现高放废液的分离-嬗变难度很大，需耗费巨资，预计在几十年内，难以获得实际应用。另一方法是直接固化近地表处置或深地质处置，选择稳定性很高的固化介质，长期固定这些核素。无论哪种方法，固化都是必不可少的。因此，放射性废物的安全处置的关键是选择合适的固化体，能在地质处置条件下，在极长的时间内固定锕系核素。

放射废物固化方法主要有水泥固化、沥青固化、玻璃固化、人造岩固化。但水泥和沥青仅将核废物进行机械固定，固化体稳定性差（参考文献： C. L. Dickson, F. P. Glasser. Cerium(III, IV) in cement: Implications for actinide (III, IV) immobilization, Cem. Concr. Res., 2000, 30(10): 1619-1623；郭志敏. 沥青固化处理放射性废液的工程运用，北京：原子能出版社，2009.）；玻璃对锕系核素的包容量低，且其固化体在水和热的地质条件下，容易由热力学亚稳的玻璃态转为结晶态，从而导致材料的整体破坏，放射性元素会大量释放出来（参考文献：刘丽君，李金英，郄东生. 高放废物玻璃固化过程中玻璃组成对硫酸盐溶解度的影响，核化学与放射化学，2009，31(2): 114-120.）。人造岩固化的优点在于其固化体化学稳定性、热稳定性和地质稳定性优于其它固化体，具体表现是：浸出率低、包容比大，抗辐射性能良好，是目前公认最好的高放废物固化发展方向（参考文献：崔春龙，卢喜瑞，张　东，唐敬友，康厚军，王晓丽，周玉林，冯启明. 锆英石对模拟核素Ce⁴⁺ 的固化能力，原子能科学技术，2010，44(10): 1168-1172；W. J. Weber, J. W. Wald, Hj. Matzke. Effects of self-radiation damage in Cm-doped Gd₂Ti₂O₇ and CaZrTi₂O₇, J. Nucl. Mater., 1986, 138(2-3): 196-209.）。

烧绿石型稀土锆酸盐的晶体结构中存在大量阴离子空位和有序的阳离子排列。在其向萤石结构转变的过程中，整体结构不会坍塌，无需经过无定型过程，同时许多稀土元素具有极高的中子吸收截面。因此，烧绿石型稀土锆酸盐是一种很好的核废料人造岩固化基材，其热力学稳定性、抗辐照性能极好。例如：当Gd₂Zr₂O₇中承载10% 的²³⁹Pu时, 在Pu的自辐射条件下, 通过实验和理论推算，预计固化体能稳定存在3000万年（参考文献：W. J. Weber, R. C. Ewing. Plutonium Immobilization and Radiation Effects, Science, 2000, 289: 2051-2052.）。

目前采用稀土锆酸盐固化锕系核素主要有以下几种方法：

1. 高温固相烧结法