Gd2Zr2O7烧绿石固化锕系核素研究

随着我国核工业的快速发展，放射性废物的排放量急剧增多，亟待处理。选择能长期稳定固化锕系核素的固化体是放射废物安全处置的关键。拟采用水热和微波合成法研究Gd2Zr2O7烧绿石的快速低温合成技术，分别考察多种因素对产物结构和组成的影响，获得优化的工艺参数。以锕系核素中的铀为例，制备出系列组成的Gd2Zr2O7烧绿石基含铀固化体（Gd2-xThxZr2O7+x/2）。采用粉末X射线衍射，结合ICP、TEM、XPS、IR等表征手段，用Rietveld精修法确定固化体的晶体结构，获得晶胞参数、原子位置、占有率及温度因子等晶体学数据，探明UO2在Gd2Zr2O7中的固溶度、固溶极限和赋存状态，以阐明U的固溶机制。研究固化体的力学性能、浸出率及抗辐照能力，揭示固化体结构、组成与固化性能之间的内在联系。本研究有助于从微观结构角度认识锕系核素在烧绿石中的固化机制，可望为放射废物的固化技术研究开辟一条新途径。

随着核技术应用的发展，核废料的排放量与日俱增, 高放废物中含有较多超铀锕系元素、长寿命裂变产物，它们产生的各种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。 目前，安全处理和处置核废料的一种重要手段是将高放的锕系及次锕系元素固化到热力学稳定、抗辐照的陶瓷晶格中，然后置于地质处置库中，从而降低对人类生存环境的危害。由于Gd2Zr2O7烧绿石具有极好的抗辐照性能，加之Gd具有极高的中子吸收截面，它成为目前公认最好的固化基材。. 采用少量NaF作矿化剂，以硝酸盐为原料，在较低温度下（低于1000oC ）合成了结晶良好的单相Gd2Zr2O7烧绿石。以Ce4+替代Pu4+进行Gd2Zr2O7固化锕系元素模拟实验。采用相同的合成方法，合成了系列组成的模拟固化体 (Gd1-xCex)2Zr2O7+x。结果表明：随着x值的增大，样品从烧绿石结构向缺陷萤石结构转变，且晶胞大小基本保持恒定，但当x=0.6时，衍射峰明显宽化，晶格畸变比较严重，晶格稳定性降低. 当x=1时，即用Ce4+完全取代Gd3+进行合成，不能得到Ce2Zr2O8，产物发生了相分离，为四方结构的(Zr0.88Ce0.12)O2和萤石结构的(Ce0.75Zr0.25)O2的混合物。模拟固化体的浸出率测试表明：当x≤0.2时，各元素浸出率均很低，但当x≥0.4时，各元素的浸出率明显升高，说明以Gd2Zr2O7作为固化Pu4+的基材，Pu4+掺入量不宜高于40%。. 研究了模拟固化体 (Gd1-xCex)2Zr2O7+x的组成对固化体的热膨胀系数与热导率的影响。结果表明：任何组成的固化体的热膨胀系数均略低于固化基材Gd2Zr2O7，其原因可能是Ce4+部分取代Gd3+后，氧空位减少，Zr-O键增多，减小了热膨胀系数。在相同温度下，不同组成样品(Gd1-xCex)2Zr2O7+x的热导率则随Ce掺杂量的增大呈先减小到某一数值，随后逐渐增大。. 目前已发表了两篇SCI论文，申请专利里两项，还有两篇论文正在审稿中，培养了两名硕士研究生。