自蔓延制备Gd2(Ti2-xZrx)O7烧绿石及其固化模拟锕系核素研究

Due to the high radiotoxicity and long half-life of actinide nuclides, their safety disposal becomes a major concern and technological difficulty in the management of high-level radioactive wastes (HLW) around the world. This project tends to employ pyrochlore (A2B2O7) as the host phase of actinides because of its high containing capacity and stability. Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) plus quick pressing (QP) is explored and optimized for efficient synthesis of promising Gd2(Ti2-xZrx)O7 ceramic waste forms. The effects of SHS/QP parameters and doping content of simulant actinides (Nd、Sm、Eu、Ce) on the crystal structure, phase composition, microstructure of Gd2(Ti2-xZrx)O7 waste forms will be investigated systematically. The occurrence and occupying mechanism of simulated nuclides in Gd2(Ti2-xZrx)O7 pyrochlores will be ascertained. The inner and outer radiation stabilities will be evaluated using first-principle calculation and heavy-ion radiation experiment. The effects of radiation damage on the chemical stability of simulated actinides bearing waste forms will be analyzed under the thermal-hydrodynamic-mechanical-chemical (THMC) coupling condition. And the leaching behavior of actinides in analogous geological repository will be elucidated. The synthesis process in this research is concise and practical with promising target waste forms. The successful operation of this project will provide theoretical basis and technical support for the industrial immobilization of actinide nuclear wastes using ceramic waste matrices. And relevant research results lay a solid foundation to promote the applied basic research and ultimately safety disposal of HLW using ceramics.

高放废物（HLW）中的锕系核素毒性大、放射性强、半衰期长，其安全固化处理成为核废物处理处置的重点和难点。本项目拟选用包容量和稳定性高的烧绿石作为锕系核素固化基材，采用自蔓延高温合成（SHS）结合快速冲压工艺（QP），优化集成Gd2(Ti2-xZrx)O7烧绿石的SHS/QP制备工艺技术；系统研究工艺参数、模拟锕系核素（Nd、Sm、Eu、Ce）掺量与固化体晶体结构、物相组成、微观形貌的关系，探明模拟核素的赋存状态和占位机制；利用第一性原理计算和重离子辐照实验评价固化材料的辐照稳定性，并研究辐照损伤对固化体 “热、水、力、化学”（THMC）耦合作用下化学稳定性的影响，揭示模拟地质处置条件下的核素浸出规律。本项目技术路线简洁实用，预期固化体性能优异，相关研究成果可为锕系HLW陶瓷固化的工程化应用提供理论依据和技术储备，为推进HLW陶瓷固化的应用基础研究及其最终安全处置奠定基础。

高放废物（HLW）中的锕系核素毒性大、放射性强、半衰期长，其安全固化处理成为核废物处理处置的重点和难点。本项目拟选用包容量和稳定性高的烧绿石作为锕系核素固化基材，采用自蔓延高温合成（SHS）结合快速冲压工艺（QP），优化集成Gd2(Ti2-xZrx)O7烧绿石的SHS/QP制备工艺技术，系统研究工艺参数、Zr掺量、模拟锕系核素掺量与固化体晶体结构、物相组成、微观形貌和物理性能的关系，探明模拟核素的赋存状态和占位机制。主要完成了以下三部分研究内容：（a）自蔓延制备Gd2Ti2O7烧绿石的反应体系选取和加压工艺优化，（b）自蔓延制备Gd2(Ti2-xZrx)O7烧绿石中Zr的最大掺量为35 at.%。（c）在探明最佳掺Zr量的基础上，以Nd作为三价锕系核素模拟物，采用SHS/QP工艺制备掺Nd的Gd2(Ti2-xZrx)O7烧绿石固化体，.Nd的最大掺入量为80 at.%，同时研究了固化体的机械性能、Nd的固化机理和固化体化学稳定性。. Gd2Zr2O7烧绿石具有优异的综合稳定性（尤其是辐照稳定性），研究表明，晶粒纳米化可进一步提高陶瓷材料的耐辐照性能，在辐照条件下具有潜在的自修复和自愈合功能。化学炉法可提供超快的加热速度（1500-5000℃/min）和较短的保温时间（1-10 min），可大幅抑制陶瓷材料的晶粒生长，研究探索了两种自蔓延化学炉体系，分别以SHS制备Gd2Ti2O7和传统的铝热反应的放热反应作为化学炉，以Gd2O3和ZrO2纳米粉体为原料，采用自蔓延化学炉结合快速加压工艺（SCF/QP）快速制备纳米晶Gd2Zr2O7烧绿石及其模拟锕系核素固化体。通过原料配方设计，可以获得不同燃烧速率和目标温度的化学炉体系，辅以快速加工工艺，可以快速制备出晶粒尺寸在100 nm以下、致密度在95%左右的Gd2Zr2O7烧绿石纳米陶瓷，并表征了样品的密度、晶体结构、晶粒尺寸、化学稳定性和辐照稳定性。