[发明专利]一种适用于锕系核素和裂变产物90Sr同时晶格固化的新型固化介质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于锕系核素和裂变产物⁹⁰Sr同时晶格固化的新型固化介质材料及其制备方法，属于核废物处理领域。

背景技术

能源是现代社会发展的重要基础，我国正大力发展核电。为了核能的可持续发展，我国将坚持走核燃料闭合循环的技术路线，即需对卸载的乏燃料进行后处理。在后处理过程中，在回收了有用的钚和未使用的铀后，其残余部分—包括97%以上的裂变产物（如¹³⁷Cs、⁹⁰Sr）、少量的次锕系核素（如²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴⁷Cm），仍残留在废液中以备加工处理。这两类核素因具有放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长等特点，需要将其与人类生存环境长期、可靠地隔离。

近年来，硼硅酸盐玻璃因具有可同时固化锕系核素和裂变产物、耐β/γ辐射性能好、核素浸出率低等特点，是世界公认的高放废物固化介质材料。但随着反应堆燃耗的提升、换料周期的延长和使用MOX燃料等，其核素包容量低、抗α辐照能力弱、耐热性差等缺陷已成为制约玻璃固化快速发展的瓶颈问题。

受地球上天然火成岩中含有少量放射性元素(如铀、钍、钾-40)稳定存在了亿万年的启发，人们继而开发了高放核素晶格固化法。核素包容量大、抗α辐照能力强是其突出的优点，同时也被公认为是固化长寿命、强放射性特种废物（如武器级Pu或次锕系核素）的有效手段。目前，在已开发的70多种固化介质材料中，锆基烧绿石Ln₂Zr₂O₇因具有最强的抗α辐照能力而被视为是锕系核素理想的固化基材；与此相类似，具有钙钛矿结构的SrZrO₃则被认为是裂变产物⁹⁰Sr最佳的归宿体。

虽然以上两种介质材料在固化单一高放核素时均展现出良好的稳定性，但却无法象玻璃体一样同时包容锕系和裂变产物两类核素，导致固化前需对这两类核素进行多次萃取、分离后再分别固化，其处理过程困难复杂。另外，以上两类介质材料制备方法较为苛刻，其烧结温度均需在1500℃以上，烧结时间亦很长（≥48h），纯相材料较难获得，从而限制了其在核废处理领域的推广应用。

发明内容

基于以上分析，本发明的一个目的是开发一种适用于锕系核素和裂变产物⁹⁰Sr同时晶格固化用的新型固化介质材料，本发明的另一个目的是提供了一种新型固化介质材料的制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于锕系核素和裂变产物⁹⁰Sr同时晶格固化用的新型固化介质材料，其材料是由烧绿石结构稀土锆酸盐和钙钛矿结构锆酸锶两相组成，即：0.5（1-x）Ln₂Zr₂O₇-xSrZrO₃（Ln=La、Nd、Eu、Gd；0<x<1），其中Ln₂Zr₂O₇相中Ln³⁺晶格位固化锕系核素Ac，SrZrO₃相中Sr²⁺晶格位固化⁹⁰Sr。

根据本发明的另一个方面，提供了制备上述Ln₂Zr₂O₇-SrZrO₃复相陶瓷固化介质材料的制备方法，其特征在于包括：

以纯度为99.99%的Ln(NO₃)₃·6H₂O(Ln=La、Nd、Eu、Gd)、Zr(NO₃)₄·3H₂O及Sr(NO₃)₂为原料，分别配制0.1mol/L的水溶液，按设计成分称量，外加适量的柠檬酸、聚乙二醇和浓硝酸，磁力搅拌至澄清透明溶胶，用0.3MPa的空气将溶胶雾化到600℃刚玉坩埚中，再将温度升至1200℃煅烧6小时。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于锕系核素和裂变产物⁹⁰Sr同时晶格固化的固化介质材料，其特征在于：所述材料是由烧绿石结构稀土锆酸盐和钙钛矿结构锆酸锶两相组成，即：0.5(1-x)Ln₂Zr₂O₇-xSrZrO₃，其中Ln=La、Nd、Eu、Gd；0.2≤x≤0.8。