锆石晶格固核（Pu，Np）机理与稳定性研究

Nowadays scientists have made some effort to research long half life actinides such as 239Pu and 237Np, which are threatened to human's survival and entironment safety. It is crucial to seek some good SYNROC(synthetic rock) waste forms possessed long time durablity for actinides geologic disposal.Zricon is s generally considered as an ideal material to immobilize high level actinide nuclides.The project will focus on SYNROC waste form synthesis and stability. Zr(Pu, Np)SiO4 simulated form will be rapidly sintered by microwave, and ccurrence state, lattice substitution, valence and solid solubility and immobilization mechanism of the simulated actinides in the forms during sintering will be investigated. In order to evaluate the structural, chemical and irradiation stability of SYNROC, the simulated geologic disposal experiment in a water-hot- oxidation system, and anti-irradiation test will be carried out. We will emphasize on leaching yield, solubility of the forms, and diffusion, transfer, congregation of the simulated elements during metamict process. Ultimately, we will strive to establish a scientific evaluation method for the structure, chemical and irradiation durability of Zr(Pu, Np)SiO4 form by microwave sintered..The achievement will provide a valuably technical support for 239Pu and 237Np geologic disposal engineering in future.

半衰期超长的239Pu和237Np等核素对人类和生态环境构成了极大的长期性危害，是目前核废物处理处置的难点和热点。锆石被认为是固化Pu、Np等锕系核素的理想基材。本项目拟采用微波烧结快速合成锆石结构Zr(Pu, Np)SiO4模拟固化体，研究微波烧结过程中类质同象作用、模拟核素在锆石矿物晶格中的赋存状态（占位、价态、固溶量）与晶格固核机理；通过模拟地质处置环境（热液介质、氧化环境）与辐照试验，重点研究模拟固化体的结构、化学（溶解与核素浸出行为）与辐照稳定性，阐明辐照损伤机制及蜕晶化过程中核素扩散、迁移和聚集等问题。最终，掌握Zr(Pu, Np)SiO4模拟固化体微波烧结关键技术；建立关于锕系核素模拟固化体结构、化学与抗辐照稳定性的评价方法。.项目的研究成果，将为锆石人工矿物固化239Pu和237Np等高放废物的长期安全稳定性和工程化应用提供重要的科学依据与技术支撑。

锆石由于热分解温度高、热膨胀系数低、良好的化学稳定性以及具有晶格固化锕系核素的能力，受到了许多学者的关注。但在实际运用中，高合成率锆石的获得往往伴随着高的烧结温度和很长的保温时间，这在一定程度上制约了锆石作为放射性废物固化基材的应用。本项目以SiO2和ZrO2为原料，以CeO2作为+4价锕系核素的模拟核素，以Nd2O3模拟+3价锕系核素，借助微波烧结技术合成锆石模拟锕系核素固化体Zr1-xCexSiO4和Zr1-xNdxSiO4-0.5x，借助XRD、SEM、元素成像以及背散射电子成像技术，对样品的物相及结构进行表征。借助密度泛函理论模拟计算Pu的锆石固化体Zr1-xPuxSiO4的结构稳定性，利用蒙特卡罗法对锆石耐辐照能力进行模拟和评价。结果表明：.利用微波烧结技术在1500℃烧结12h，可以获得高合成率锆石及锆石模拟锕系核素固化体Zr1-xCexSiO4(x=0.01-0.10)和Zr1-xNdxSiO4-0.5x (x=0-0.10)。对于Zr1-xCexSiO4(x=0.01-0.10)系列固化体，当x<5%是物相中的Ce不会形成富集相，且晶胞参数随Ce含量的增加而增加，当x≥5%时，物相中有Ce2Si2O7形成。而对于Zr1-xNdxSiO4-0.5x (x=0-0.10)系列固化体，且晶胞参数随Nd含量的增加变化不明显且没有明显规律，物相中有Nd的富集相Nd2Si2O7出现的点为x≥4%。对于含Ce和Nd的锆石固化体，晶粒尺寸随模拟核素的增而增大。.对Pu的锆石固化体Zr1-xPuxSiO4的结构稳定性的模拟计算结果表明：固化体的晶胞参数随Pu的含量的增加而增大，与Vegard定律相符，当Pu替代Zr的百分数为6.25%时，固化体结构能量最低，与实验结果的~5mol%相对应。模拟计算证明了Si-O、Zr-O以及Pu-O键的存在，且Pu进入锆石固化体，对锆石的体系构成了明显的影响。.能量为85keV的235U和5.155 MeV的α粒子在密度为4.36g/cm3的锆石材料中垂直入射，产生的辐照损伤情况进行模拟，结果表明：5.155 MeV的α粒子的入射深度为15.4um，在锆石中的能量损失绝大部分是通过使靶原子电离化的方式损失掉的；而85keV的235U的入射深度为24.5nm，能量主要通过与之相碰撞产生的反冲原子使靶原子电离化以及产生声子损失掉的。