高致密矿物聚合物固化模拟核素Sr、Cs及其稳定性研究

The current glass and artificial ceramic waste forms for the immobilization of high level liquid waste (HLLW) have some drawbacks, such as high operating temperature, highly complex process, poor thermal stability and chemical durability and limited immobilizing capacity of radionuclides. This proposed project aims to prepare zeolite-like structural highly dense geopolymer waste forms through using pre-press molding and hydrothermal synthesis processes. It is expected that the strontium and cesium radionuclides can be adsorpted and immobilized in the lattice cage in the structure of aluminosilicates, and the highly dense geopolymer waste forms will block the leaching of radionuclides. The effects of raw materials, preparation and curing scheme on phase composition, microstructure and mechanical properties of geopolymer waste forms will be studied, so as to optimize the synthesis techniques. Furthermore, the status of strontium and cesium radionuclides in various geopolymer waste forms with different zeolite-like structures will be investigated. The thermal stability and chemical durability of geopolymer waste forms will be evaluated under typical geological repository environments. The research outcomes will provide theoretical basis and technical support for the optimization and preparation of geopolymer waste forms. The ultimate goal of this project is to provide a new material for safe, durable and cost effective immobilization of HLLW.

针对目前玻璃固化体及人造陶瓷固化体处置高放废液操作温度高、工艺复杂、稳定性差以及固溶有局限性等问题，本项目拟采用预压成型-水热合成工艺制备含类沸石结构的高致密矿物聚合物固化体，利用结构中架状铝硅酸盐的近规则孔洞和晶格笼结构来吸附、固溶核素Sr、Cs，利用固化体的高致密性阻滞核素的浸出。本项目系统研究矿物聚合物原料组成、制备工艺及养护制度与固化体晶相组成、微观结构和力学性能之间的关系，优化高致密固化体的制备技术；研究模拟核素Sr、Cs在不同类沸石结构组成的矿物聚合物固化体中的赋存状态；评价固化体在地质处置库环境中的热稳定性和化学稳定性。本项目相关研究成果可以为优化和制备高致密矿物聚合物固化材料提供理论依据和技术支持，为推进高放废液固化及其安全处置提供更安全、更耐久和低成本的新型固化材料的奠定基础。

针对含Cs、Sr放射性废液的快速、安全的处置，本项目制备了高致密凝胶相和富方沸石相矿物聚合物固化体，研究了Cs+、Sr2+在矿物聚合物固化体中的赋存状态。系统研究了原料组成、成型工艺及养护方式对固化材料的结构与性能的影响，优化了高致密固化体的制备技术，获得了矿物聚合物相结构的演变规律。水灰比是影响大孔（>50nm）孔隙率的关键因素之一，粉煤灰粒度的细化是获得高致密矿物聚合物固化材料的有效措施，其28d和90d龄期时总气孔率分别为11.04%和6.64%。在较高养护温度下（>80℃）时，矿物聚合物固化材料的无定形结构的凝胶具有向有序结构转变的趋势，形成半晶质或结晶良好的方沸石和NaP1沸石；结晶程度的增大会削弱固化材料的致密程度，降低其抗压强度，但对模拟核素离子Cs的固化性能有显著的提高。系统探究了固化体的孔结构和沸石相对Cs+、Sr2+固化能力的影响。丰富的、致密的凝胶结构可增强了基材对核素离子的物理固封作用，高致密矿物聚合物固化体中Cs+、Sr2+42d累积浸出分数分别为9.7×10-3cm和1.61×10-4cm，Cs元素均匀分部于N-A-S-H凝胶中，Sr元素富集于低钙的N-A-S-H凝胶中。原位合成富方沸石相矿物聚合物固化体将Cs+以化学键形式固溶于沸石的晶格笼或孔道中，且固化体具有良好的化学稳定性。浸泡于90℃蒸馏水中时，Cs元素第42d浸出率为1.09×10-7cm/d；在蒸馏水和pH=3柠檬酸溶液中，Cs元素的42d累积浸出率分别为9.9×10-5cm和2.1×10-4cm。Cs、Sr在矿物聚合物固化体中的浸出机制符合一级反应模型，将为预测固化体长龄期浸出率提供理论支撑。本项目的研究，验证了矿物聚合物固化体的结构致密化、基体中方沸石的形成可提高模拟核素Cs、Sr在固化体中的固化能力，为制备高性能矿物聚合物固化体提供了理论依据，为推进核放射性废液的安全处置提供了技术储备。