[发明专利]一种通过水热-烧结联用固化放射性元素的方法

说明书

本发明公开了一种通过水热‑烧结联用固化放射性元素的方法。该方法包括以下步骤：S1.将活化高岭土、CsCl和碱混合均匀，其中，混合物中碱、CsCl、Al₂O₃和SiO₂的摩尔比为0.01‑10:0.01‑10:1‑3:2‑6；S2.以水固比为0.1～1.2的比例向S1所得混合物中加水，搅拌成型后凝固，得固化体；S3.于150～300℃对S2得到的固化体进行水热养护，养护20～30h后，于1200～1500℃烧结即可。本发明在水热合成基础上，可利用NaOH与CsCl的离子交换机制以促进Cs⁺在水热合成条件下形成的相关前驱物，并通过烧结方式进一步形成铯榴石结构，同时增强其结构的致密性，从而产生良好的固化性能。

技术领域

本发明属于核废料固化技术领域，具体涉及一种通过水热-烧结联用固化放射性元素的方法。

背景技术

为了实现可持续发展，人类迫切地需要新的替代能源。目前，达到工业应用并可以大规模替代化石燃料的能源主要是核能。核电发展很好地遵守了可持续发展的某些原则,但仍有一些重要方面需要考虑。分别是铀的供应,核废物处置,核燃料安全循环以及核电厂运行安全等问题。其中，¹³⁷Cs属于中、高毒性，半衰期较长，为30.5a，且放射性占混合裂变产物总放射性的比重大，一般需经几百年甚至更长的时间才能衰变至无害水平，因此科学安全地对核废物进行处理是一个重要课题。CsCl是放射性核废料中的一种常见形式，需要对其进行有效固化处理，以减少其对生物圈产生潜在的威胁，。

科学安全处置放射性¹³⁷Cs的主流思想是，采用地聚物、玻璃或陶瓷对放射性核素进行固化以形成致密的显微结构或晶体结构从而有效阻止其对环境的迁移。随后，采用深地质(500-1000米)埋藏方式，对固化体进行存放直至核素衰变至对生物圈无害，但这将经历上百年乃至数万年的时间，因而对固化材料的长期稳定性提出要求。CsCl是放射性核废料中的一种常见的放射性¹³⁷Cs的化合物存在形式，其可溶性和迁移极强，而且分解温度较高。通过水热方式对其固化时，可通过水热合成所形成的多孔沸石结构的吸附作用或形成似长石结构(如铯榴石)对其进行固化。然而，水热合成固化体的强度偏低，且固化体结构致密性较差，尤其对Cl^-的固化能力较差，因此对CsCl的固化能力有限。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种通过水热-烧结联用固化放射性元素的方法，通过水热方式处理可初步形成以铯榴石为主的含铯稳定结构，并对铯进行有效固化。在此基础上，通过进一步的烧结处理，不仅可以继续增强铯榴石的稳定性，而且可以进一步促使结构的致密化，并有效减少铯的高温挥发。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种通过水热-烧结联用固化放射性元素的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将活化高岭土、CsCl和碱混合均匀，其中，混合物中碱、CsCl、Al₂O₃和SiO₂的摩尔比为0.01-10:0.01-10:1-3:2-6；

S2.以水固比为0.1～1.2的比例向S1所得混合物中加水，搅拌至形成均匀的浆体，然后使其凝固，得固化体；

S3.于150～300℃对S2得到的固化体进行水热养护，养护20～30h后，于1200～1500℃烧结即可。

地聚物结构多以凝胶或半结晶结构为主，从材料热力学稳定性而言，仅仅以地聚物固封的形式长期处置放射性核素还不足以保证其能被稳定地固化和长期存放。为增强固化体结构的长期稳定性，可以通过水热或烧结的方式促进地聚物凝胶结构朝着更稳定的晶态结构过渡。通过水热养护可使地聚物形成规则多孔的沸石或似长石结构，并依靠其结构的吸附作用，可稳定阻止Cs元素的迁移，但水热养护地聚物致密性较低，而CsCl的可溶性极强，且分解温度极高，其固化效果并不理想。