模擬錒系核素鋯英石固化體的微波燒結(jié)與穩(wěn)定性研究.pdf

1、自上世紀(jì)90年代 Ewing和 Weber提出將鋯英石作為固化武器級放射性核廢物以來，鋯英石由于熱分解溫度高、熱膨脹系數(shù)低、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及具有晶格固化錒系核素的能力，受到了許多學(xué)者的關(guān)注。但在實際運用中，高合成率鋯英石的獲得往往伴隨著高的燒結(jié)溫度和很長的保溫時間，這在一定程度上制約了鋯英石作為放射性廢物固化基材的應(yīng)用。本論文以 SiO2和 ZrO2為原料，以 CeO2作為+4價錒系核素的模擬核素，以 Nd2O3模擬+3價錒系核素，

2、借助微波燒結(jié)技術(shù)合成鋯英石模擬錒系核素固化體 Zr1-xCexSiO4(x=0.01-0.10)和Zr1-xNdxSiO4-0.5x(x=0-0.10)，借助 XRD、SEM、元素成像以及背散射電子成像技術(shù)，對樣品的物相及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。借助密度泛函理論模擬計算 Pu的鋯英石固化體 Zr1-xPuxSiO4(x=0-0.156)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，利用蒙特卡羅法對鋯英石抗α粒子和重離子輻照能力進(jìn)行模擬和評價。結(jié)果表明：
　　利用微波燒結(jié)技

3、術(shù)在1500℃燒結(jié)12h，可以獲得高合成率鋯英石及鋯英石模擬錒系核素固化體 Zr1-xCexSiO4(x=0.01-0.10)和Zr1-xNdxSiO4-0.5x(x=0-0.10)。對于 Zr1-xCexSiO4(x=0.01-0.10)系列固化體，當(dāng) x<5％是物相中的 Ce不會形成富集相，且晶胞參數(shù)隨 Ce含量的增加而增加，當(dāng) x≥5%時，物相中有 Ce2Si2O7形成。而對于Zr1-xNdxSiO4-0.5x(x=0-0.10)

4、系列固化體，且晶胞參數(shù)隨 Nb含量的增加變化不明顯且沒有明顯規(guī)律，物相中有 Nd的富集相 Nd2Si2O7出現(xiàn)的點為 x≥4%。對于含 Ce和 Nd的鋯英石固化體，晶粒尺寸隨模擬核素的增加而總體呈增大的趨勢。
　　對 Pu的鋯英石固化體 Zr1-xPuxSiO4(x=0-0.156)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的模擬計算結(jié)果表明：固化體的晶胞參數(shù)隨 Pu的含量的增加而增大，與 Vegard定律相符，當(dāng) Pu替代 Zr的百分?jǐn)?shù)為6.25%時，固化體

5、結(jié)構(gòu)能量最低，與實驗結(jié)果的~5mol%相對應(yīng)。模擬計算證明了 Si-O、Zr-O以及 Pu-O鍵的存在，且 Pu進(jìn)入鋯英石固化體，對鋯英石的體系構(gòu)成了明顯的影響。
　　能量為85keV的235U與能量為5.155 MeV的α粒子在密度為4.36g/cm3的鋯英石材料中垂直入射，產(chǎn)生的輻照損傷情況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：能量為5.155 MeV的α粒子的入射深度為15.4um，在鋯英石中的能量損失絕大部分是通過使靶原子電離化的方式損失掉