钆锆烧绿石基模拟核素固化体的放电等离子烧结及固核机理研究

发布时间：2020-11-13 07:27

　　 钆锆烧绿石(Gd_2Zr_2O_7)被认为是晶格固化锕系核素(~(239)Pu,~(237)Np,~(238)U,~(238)Np等)以及裂变核素(~(129)I,~(90)Sr,~(137)Cs等)拥有超长半衰期核素的理想基材之一,也是目前高放废物处理处置等领域研究的热点和难点。然而,烧绿石是一种较难合成的矿物,主要利用高温固相法对其进行制备。传统方法具有耗时长(~72 h),产生废水废气等缺点。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)是近年来发展起来的一种新型烧结技术,能将等离子活化、热压、电阻加热相融合,实现样品的快速制备,具有升温速度快、烧结时间短、产品致密度高、粒径均匀等优点。本论文首次将放电等离子烧结技术应用于高放废物固化处理。以Gd_2O_3和ZrO_2为原料,制备Gd_2Zr_2O_7钆锆烧绿石矿物固化体,将Nd~(3+)作为三价锕系核素的模拟替代物,Ce~(4+)作为四价锕系核素的模拟替代物,制备钆锆烧绿石基模拟核素固化体(Gd_(2-x)NdZr_2O_7(0≤x≤2.0),Gd_2Zr_(2-y)Ce_yO_7(0≤y≤2.0)及Gd_(2-x)Nd_xZr_(2-y)Ce_yO_7(0≤x,y≤2.0))。借助XRD、SEM、Raman、TEM等测试表征,并对XRD衍射数据进行结构精修,分析模拟废物含量对固化体的物相、晶胞参数、振动模式、微观形貌、微观结构的影响,弄清模拟核素在固化体中的类质同象作用、赋存状态(A、B占位、竞争机制、氧化价态和固溶量等)及晶格固核机理。主要研究结果表明:(1)以Gd_2O_3和ZrO_2为实验原料,利用放电等离子烧结炉在1700oC、80 MPa条件下保温3 min成功制备单一物相Gd_2Zr_2O_7固化体。所得样品与常规方法在1500oC烧结72 h的样品相比,具有致密的微观形貌和较高的密度。(2)通过配方设计,成功制备钆锆烧绿石基三价模拟核素固化体Gd_(2-x)NdZr_2O_7(0≤x≤2.0)。在所制备的钆锆烧绿石基三价模拟核素固化体中,当0≤x≤0.7时,样品为单一的萤石型结构;当0.8≤x≤2.0时,样品转变为烧绿石型结构。且随三价模拟核素掺杂量增加,拉曼振动强度呈现出逐渐增加的趋势,密度呈现出逐渐减小的趋势,晶粒尺寸呈现增大的趋势。(3)通过配方设计,成功制备钆锆烧绿石基四价模拟核素固化体Gd_2Zr_(2-y)Ce_yO_7(0≤y≤2.0)。在所制备的钆锆烧绿石基四价价模拟核素固化体中,当0≤y≤1.0时,样品为单一的萤石型结构;当1.5≤y≤2.0时,样品转变为混合相结构。系列固化体形貌均匀,晶界清晰,致密性高,且随四价模拟核素掺杂量增加,密度呈现出逐渐减小的趋势。(4)利用放电等离子烧结技术成功烧结一系列钆锆烧绿石基模拟双核素放射性废物固化体Gd_(2-x)Nd_xZr_(2-y)Ce_yO_7(0.0≤x,y≤2.0)。当0.0≤y≤1.0时,样品为单一的萤石型结构;当y≥1.5,样品转变为混合相。在单一物相条件下,随模拟核素掺杂量增加,XRD衍射峰向小角度方向偏移,晶胞参数和晶胞体积呈增大的趋势。所制备样品微观形貌均匀,晶粒呈立方形,样品内原子层排列整齐,具有较高的致密度,元素在其内部分布均匀。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL94
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 放射性废物的分类及特点
    1.2 高放废物固化处理现状
    1.3 高放废物人造岩石固化研究现状
    1.4 烧绿石作为理想固化基材的选题依据
        1.4.1 烧绿石的抗浸出性能
        1.4.2 烧绿石的耐辐照性能
        1.4.3 烧绿石的结构特征
    1.5 烧绿石的制备
    1.6 研究概述
2 钆锆烧绿石的SPS烧结
    2.1 实验原料及仪器设备
        2.1.1 实验原料及仪器
        2.1.2 烧绿石的制备
    2.2 测试与表征
        2.2.1 物相分析
        2.2.2 微观形貌分析
        2.2.3 密度分析
    2.3 本章小结
2-xNd_xZr₂O₇固化体的SPS烧结及固核机理研究'>3 Gd_2-xNd_xZr₂O₇固化体的SPS烧结及固核机理研究
2-xNd_xZr₂O₇固化体的制备'>    3.1 Gd_2-xNd_xZr₂O₇固化体的制备
        3.1.1 固化体的配方设计
        3.1.2 实验原料及仪器设备
        3.1.3 固化体的SPS烧结
            3.1.3.1 原料的预处理
            3.1.3.2 固化体的制备
    3.2 固化体的测试与表征
        3.2.1 物相分析
        3.2.2 结构分析
        3.2.3 微观形貌分析
        3.2.4 密度分析
    3.3 本章小结
2Zr_2-xCe_xO₇固化体的SPS烧结及固核机理研究'>4 Gd₂Zr_2-xCe_xO₇固化体的SPS烧结及固核机理研究
2Zr_2-xCe_xO₇固化体的制备'>    4.1 Gd₂Zr_2-xCe_xO₇固化体的制备
        4.1.1 固化体的配方设计
        4.1.2 实验原料及仪器设备
        4.1.3 固化体的SPS烧结
            4.1.3.1 原料的预处理
            4.1.3.2 固化体的制备
    4.2 测试与表征
        4.2.1 物相分析
        4.2.2 结构分析
        4.2.3 微观形貌与微观结构分析
        4.2.4 密度分析
        4.2.5 化学稳定性分析
    4.3 本章小结
1-xNd_x)2(Zr_1-xCe_x)2O₇固化体的SPS烧结及固核机理研究'>5 (Gd_1-xNd_x)2(Zr_1-xCe_x)2O₇固化体的SPS烧结及固核机理研究
1-xNd_x)2(Zr_1-xCe_x)2O₇固化体的制备'>    5.1 (Gd_1-xNd_x)2(Zr_1-xCe_x)2O₇固化体的制备
        5.1.1 固化体的配方设计
        5.1.2 实验原料及仪器设备
        5.1.3 固化体的SPS烧结
            5.1.3.1 原料的预处理
            5.1.3.2 固化体的制备
    5.2 测试与表征
        5.2.1 物相分析
            5.2.1.1 Nd含量对固化体物相影响
            5.2.1.2 Ce含量对固化体物相影响
            5.2.1.3 Nd和Ce含量对固化体物相影响
        5.2.2 晶胞参数计算
        5.2.3 结构分析
        5.2.4 微观形貌与微观结构分析
    5.3 本章小结
6 主要结论、创新点及后续研究工作
    6.1 主要结论
    6.2 主要创新点
    6.3 本研究的不足之处及后续工作建议
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 周冠南;周时光;滕元成;楚士晋;;烧绿石固化高放废物的研究进展[J];材料导报;2006年09期

2 吴兆广，罗上庚，于承泽，盛嘉伟，柳得橹;模拟高放废物玻璃固化体在处置条件下的浸出行为研究（Ⅱ）[J];核科学与工程;1996年01期

3 罗上庚;;第二代高放废物固化体——人造岩石[J];核科学与工程;1993年02期

4 盛嘉伟，罗上庚，汤宝龙，柳得撸;90－19／U模拟高放废物玻璃固化体表面性能的研究[J];辐射防护;1996年02期

5 周小毛;刘晓东;罗太安;;溶胶-凝胶法制备富铀烧绿石[J];陶瓷学报;2015年03期

6 张振涛;甘学英;苑文仪;王雷;邢海青;;反气相色谱测量玻璃裂隙比表面积的方法研究[J];中国原子能科学研究院年报;2007年00期

7 夏益华,刘森林;计算高放废物固化体内放射性活度及内、外剂量率的计算机程序[J];辐射防护;1991年01期

8 张华;GIN Stephane;;模拟单一裂隙对高放废物玻璃固化体蚀变行为影响初步研究[J];中国原子能科学研究院年报;2009年00期

9 吴兆广，罗上庚，于承泽，汤宝龙;模拟高放废物玻璃固化体在处置条件下的浸出行为研究（Ⅰ）[J];核科学与工程;1994年04期

10 马明燮;;放射性废物的危害指标的使用问题[J];辐射防护通讯;1984年03期

相关博士学位论文 前10条

1 李鹏;掺杂模拟核素铈离子的玻璃/玻璃陶瓷固化体的结构控制与性能研究[D];浙江大学;2013年

2 谢华;同时固化锕系核素与裂变产物锶的新型模拟固化体结构与性能研究[D];南京理工大学;2015年

3 杨建文;富烧绿石人造岩石和锆英石固化模拟锕系废物研究[D];中国原子能科学研究院;2000年

4 孟成;乏燃料后处理中放射性核素的陶瓷固化体的结构与化学稳定性研究[D];浙江大学;2016年

5 韦红钢;核素在高放废物地质处置预选场的迁移行为研究[D];中国地质大学（北京）;2012年

6 章英杰;Pu在特定地质环境下的化学行为研究[D];中国原子能科学研究院;2005年

7 钱丽鑫;高放废物深地质处置库缓冲材料[D];同济大学;2007年

8 张华;高放固化体处置条件下的浸出和模型研究[D];中国原子能科学研究院;2004年

9 张瑞珠;利用自蔓延高温合成技术固化放射性废物[D];北京科技大学;2005年

10 张江梅;微弱核信号检测及核素识别方法与实验研究[D];中国科学技术大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 王兰;钆锆烧绿石基模拟核素固化体的放电等离子烧结及固核机理研究[D];西南科技大学;2018年

2 樊龙;钆锆烧绿石晶格固化多核素的机理及稳定性研究[D];西南科技大学;2016年

3 刘松柏;锕系核素和裂变产物锶模拟固化体的制备和表征[D];东华理工大学;2014年

4 周小毛;富铀型烧绿石的合与制备[D];东华理工大学;2016年

5 邹秋林;核素固化体钛基陶瓷晶体结构及其稳定性研究[D];西南科技大学;2013年

6 查才存;应用水滑石实时合成分离固化模拟核素铕钍[D];合肥工业大学;2014年

7 朱欢;核素在包气带中迁移的数值模拟研究[D];长安大学;2010年

8 张晓航;α衰变对高放废物玻璃固化体的辐照效应研究[D];兰州大学;2010年

9 黄凤羽;高庙子膨润土对模拟核素的阻滞性能研究[D];西南科技大学;2016年

10 秦建法;蒙特卡洛法模拟玻璃固化体浸出行为的研究[D];西南科技大学;2015年

本文编号：2881919