[發明專利]一種適用于錒系核素和裂變產物90Sr同時晶格固化的新型固化介質材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210358595.9
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號: CN103664165A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 江闊;謝華;劉松柏;王烈林;阮爽;王成龍;王開元
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/622;G21F9/16
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

技術領域

本發明涉及一種適用于錒系核素和裂變產物⁹⁰Sr同時晶格固化的新型固化介質材料及其制備方法，屬于核廢物處理領域。

背景技術

能源是現代社會發展的重要基礎，我國正大力發展核電。為了核能的可持續發展，我國將堅持走核燃料閉合循環的技術路線，即需對卸載的乏燃料進行后處理。在后處理過程中，在回收了有用的钚和未使用的鈾后，其殘余部分—包括97%以上的裂變產物（如¹³⁷Cs、⁹⁰Sr）、少量的次錒系核素（如²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴⁷Cm），仍殘留在廢液中以備加工處理。這兩類核素因具有放射性強、發熱量大、毒性大、半衰期長等特點，需要將其與人類生存環境長期、可靠地隔離。

近年來，硼硅酸鹽玻璃因具有可同時固化錒系核素和裂變產物、耐β/γ輻射性能好、核素浸出率低等特點，是世界公認的高放廢物固化介質材料。但隨著反應堆燃耗的提升、換料周期的延長和使用MOX燃料等，其核素包容量低、抗α輻照能力弱、耐熱性差等缺陷已成為制約玻璃固化快速發展的瓶頸問題。

受地球上天然火成巖中含有少量放射性元素(如鈾、釷、鉀-40)穩定存在了億萬年的啟發，人們繼而開發了高放核素晶格固化法。核素包容量大、抗α輻照能力強是其突出的優點，同時也被公認為是固化長壽命、強放射性特種廢物（如武器級Pu或次錒系核素）的有效手段。目前，在已開發的70多種固化介質材料中，鋯基燒綠石Ln₂Zr₂O₇因具有最強的抗α輻照能力而被視為是錒系核素理想的固化基材；與此相類似，具有鈣鈦礦結構的SrZrO₃則被認為是裂變產物⁹⁰Sr最佳的歸宿體。

雖然以上兩種介質材料在固化單一高放核素時均展現出良好的穩定性，但卻無法象玻璃體一樣同時包容錒系和裂變產物兩類核素，導致固化前需對這兩類核素進行多次萃取、分離后再分別固化，其處理過程困難復雜。另外，以上兩類介質材料制備方法較為苛刻，其燒結溫度均需在1500℃以上，燒結時間亦很長（≥48h），純相材料較難獲得，從而限制了其在核廢處理領域的推廣應用。

發明內容

基于以上分析，本發明的一個目的是開發一種適用于錒系核素和裂變產物⁹⁰Sr同時晶格固化用的新型固化介質材料，本發明的另一個目的是提供了一種新型固化介質材料的制備方法。

根據本發明的一個方面，提供了一種適用于錒系核素和裂變產物⁹⁰Sr同時晶格固化用的新型固化介質材料，其材料是由燒綠石結構稀土鋯酸鹽和鈣鈦礦結構鋯酸鍶兩相組成，即：0.5（1-x）Ln₂Zr₂O₇-xSrZrO₃（Ln=La、Nd、Eu、Gd；0<x<1），其中Ln₂Zr₂O₇相中Ln³⁺晶格位固化錒系核素Ac，SrZrO₃相中Sr²⁺晶格位固化⁹⁰Sr。

根據本發明的另一個方面，提供了制備上述Ln₂Zr₂O₇-SrZrO₃復相陶瓷固化介質材料的制備方法，其特征在于包括：

以純度為99.99%的Ln(NO₃)₃·6H₂O(Ln=La、Nd、Eu、Gd)、Zr(NO₃)₄·3H₂O及Sr(NO₃)₂為原料，分別配制0.1mol/L的水溶液，按設計成分稱量，外加適量的檸檬酸、聚乙二醇和濃硝酸，磁力攪拌至澄清透明溶膠，用0.3MPa的空氣將溶膠霧化到600℃剛玉坩堝中，再將溫度升至1200℃煅燒6小時。

根據本發明的一個方面，提供了一種適用于錒系核素和裂變產物⁹⁰Sr同時晶格固化的固化介質材料，其特征在于：所述材料是由燒綠石結構稀土鋯酸鹽和鈣鈦礦結構鋯酸鍶兩相組成，即：0.5(1-x)Ln₂Zr₂O₇-xSrZrO₃，其中Ln=La、Nd、Eu、Gd；0.2≤x≤0.8。