1 1.西南科技大学 核废物与环境安全省部共建协同创新中心, 绵阳 621010
2 2.西南科技大学 国防科技学院, 环境友好能源材料国家重点实验室, 绵阳 621010
3 3.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 高级陶瓷创新研究团队, 绵阳 621900
相较于传统固相烧结方法, 熔盐在较低的温度下提供了快速的传质和成核过程, 可合成用于固化高放废物(HLW)的陶瓷固化体。本工作采用熔盐法(MSS)在不同烧结温度(1100、1200、1300、1400、1500 ℃)和不同烧结时间(3、6、9、12、15 h)下制备了掺Nd的锆石(ZrSiO4)陶瓷(Zr1-xNdxSiO4-x/2 (0≤x≤0.1)), 并采用静态浸出试验(PCT)研究掺Nd的ZrSiO4陶瓷在模拟地质处置环境下的化学稳定性。在熔盐与氧化物最佳摩尔比为10 : 1、烧结温度为1200 ℃、烧结时间为6 h的较温和条件下, 利用熔盐法成功合成了Zr1-xNdxSiO4-x/2, 可将Nd在ZrSiO4中的固溶摩尔分数提高到8%, 结果显示MSS法能够降低陶瓷合成温度, 缩短合成时间, 提高固溶量。ZrSiO4陶瓷对三价锕系核素的固化机理为晶格固化。浸出实验结果显示, Nd的归一化浸出率（LRNd）低至~10-5 g·m-2·d-1。浸出前后ZrSiO4陶瓷未发生物相演变, 展现出较好的结构稳定性。浸出模型显示Nd浸出归因于陶瓷表面层发生溶解。研究结果表明, MSS法是一种高效的合成陶瓷固化体的手段。
固化 锆石 熔盐 化学稳定性 immobilization zircon molten salt chemical stability
1 中广核研究院有限公司放废与放化研究所，深圳 518028
2 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
核设施退役过程中会产生大量污染或活化的低放射性混凝土核废物，相比于传统的水泥固化，玻璃材料因对放射性元素包容广、化学稳定性优良而被广泛应用于固化处理放射性废物。本文通过高温熔融的方法玻璃固化处理模拟结构用混凝土核废物，在混凝土中添加一定量玻璃添加剂(包括SiO2、B2O3及Na2O，其在玻璃固化体中质量分数分别为~26%、~13%及~6%)，于1 300 ℃下将混凝土核废物转化为熔融态玻璃，获得的玻璃固化体化学稳定性满足国际低放废物固化体处置抗浸出标准，同时分析了模拟核素在高温熔融过程中的挥发行为及在固化体中的赋存状况。本研究可为混凝土核废物熔融固化提供基础数据支持。
核设施退役 放射性固体废物 混凝土 玻璃固化 化学稳定性 挥发 decommissioning of nuclear facility radioactive solid waste concrete vitrification chemical durability volatility
1 河南大学土木建筑学院,开封 475004
2 河南轻工职业学院,郑州 450008
3 河南大学开封市工程修复与材料循环工程技术研究中心,开封 475004
为评价磁铁尾矿砂在水泥碱性环境中的化学稳定性,研究了磁铁尾矿砂对饱和Ca(OH)2溶液pH值、砂浆棒膨胀率及钢筋锈蚀率的影响。结果表明,粒径为2.500和1.250 mm的磁铁尾矿砂在早期时对饱和Ca(OH)2溶液pH值降低作用较为明显,随龄期延长,粒径小于1.250 mm的磁铁尾矿砂对溶液pH值的降低作用变得愈加显著。不同粒径的磁铁尾矿砂取代部分天然砂时,引起的砂浆棒膨胀情况有所不同,其中粒径为0.630和0.315 mm的磁铁尾矿砂对砂浆棒体积变形的影响更为显著,而且在较长龄期后,含有0.630 mm磁铁尾矿砂的砂浆棒膨胀率最大。在Ca(OH)2和NaCl混合溶液中,磁铁尾矿砂较钢筋更易发生反应,可减缓钢筋锈蚀。
磁铁尾矿砂 化学稳定性 快速砂浆棒法 体积膨胀 钢筋锈蚀 magnetite tailing chemical stability accelerated mortar bar method volume expansion reinforcement corrosion
1 1.西南科技大学 核废物与环境安全省部共建协同创新中心, 绵阳 621010
2 2.西华师范大学 物理与空间科学学院, 南充 637002
石榴石具有较大的锕系包容量及化学灵活性, 被认为是潜在的锕系核素固化基材。本工作以Nd3+模拟三价锕系核素, 通过高温固相法成功合成了Y3-xNdxFe5O12(0≤x≤2)系列钇铁石榴石(YIG)固化体。研究了Nd在YIG固化体中的固溶极限和Nd掺杂量对固化体的物相和微观结构的影响规律, 以及不同pH条件下Nd掺杂钇铁石榴石固化体的化学耐久性。研究结果表明, 当x≤1.7时, YIG基固化体为纯相YIG; 当x≥1.8时, YIG基固化体中YIG、NdFeO3和Fe2O3三相共存。纯相YIG基固化体对Nd3+的固溶极限约为29.5%(质量分数)。随着Nd掺杂量增加, 固化体的密度增大, 体积减小, 孔隙率减小。浸出实验结果显示, 28 d后元素归一化浸出率(LRi)逐渐趋于平衡, 42 d后, 其元素的LRi为10-6~10-5 g·m-2·d-1。LRY小于LRNd, 且酸性溶液中元素归一化浸出率也略高于中性和碱性溶液。这些结果表明, YIG陶瓷是理想的三价锕系核素候选固化基材。
钇铁石榴石(YIG) 锕系核素 相演变 化学稳定性 yttrium iron garnet (YIG) actinide phase evolution chemical stability
采用熔融冷却法制备了Na2OCaOLa2O3B2O3SiO2玻璃，经热处理获得了硅酸盐氧基磷灰石硼硅酸盐玻璃陶瓷，并采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、产品一致性试验(PCT)法等方法探究了CaO取代SiO2对该硼硅酸盐玻璃陶瓷物相、微观结构和化学稳定性的影响规律。结果显示：随着CaO含量增加，硅酸盐氧基磷灰石晶相衍射峰增强，其他晶相的衍射峰减弱直至消失，当CaO摩尔分数为15%时获得只含CaLa4(SiO4)3O晶相的玻璃陶瓷样品；CaO含量会对玻璃陶瓷的晶相种类和晶体形状、大小、分布产生影响，CaO含量变化会造成陶瓷相晶体发生团簇和长大；采用PCT法浸泡28 d后，所有样品关于Si、Ca、La三种元素的归一化浸出率（g·m-2·d-1）均保持在10-3数量级以下，表明其具有优异的化学稳定性，且CaO摩尔分数为15%的玻璃陶瓷样品化学稳定性最优异。研究结果表明，硅酸盐氧基磷灰石硼硅酸盐玻璃陶瓷是固化富La和某些锕系元素高放废物的潜在基材。
硼硅酸盐玻璃陶瓷 硅酸盐氧基磷灰石 晶相 浸出率 化学稳定性 CaO CaO borosilicate glassceramics silicate oxyapatite crystalline phase leaching rate chemistry stability
1 中国科学院上海光学精密机械研究所，高功率激光单元技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，材料科学与光电工程中心，北京 100049
统计结构模拟法具有高效、准确等优点，可以帮助建立配方设计模型以适应不同类型高放废液的固化需求。以模拟高放废液硼硅酸盐玻璃固化体为例，以玻璃转变温度Tg、热膨胀系数α及Li、Na、B的元素浸出率为目标性质，研究了统计结构模拟法在核废料玻璃固化配方开发领域的应用。结果表明：利用样品的结构数据，可对硼硅酸盐玻璃固化体的Tg，α及化学稳定性进行较精确的模拟。模型验证结果显示，验证样品的预测值和实测值吻合较好，模拟意愿达0.94。统计结构模拟法可以辅助建立高放废液玻璃固化体配方数据库。
高放废液 玻璃固化 硼硅酸盐玻璃 热性能 化学稳定性 统计结构模拟 high-level liquid waste vitrification borosilicate glasses thermal properties chemical stability statistical structure modeling
1 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院, 景德镇 333403
2 深圳技术大学新材料与新能源学院, 深圳 518118
90SrF2和高Na2O、Fe2O3、P2O5含量的废物是两大类核电废物, 将两者联合固化可获得以SrF2、Na2O、Fe2O3和P2O5为主要组成的玻璃固化体。本文采用X-射线荧光光谱仪、X-射线衍射仪、红外光谱仪、热膨胀仪、差热分析仪等研究了各样品的玻璃形成能力、实际组成、结构及热稳定性; 采用溶解速率法和产品一致性测试方法研究了样品的耐水性。结果表明: 1 000 ℃熔融保温0.5 h制得的玻璃中Sr损失较小而F质量损失达30%~34%; 随着P2O5/SrF2摩尔比的降低, 玻璃的热稳定性急剧降低, 而耐水性却有明显的改善; 具有焦磷酸盐玻璃结构的样品稳定性好, 其中SrF2为30%(摩尔分数)的玻璃既具有高耐水性又具有较高的热稳定性。
氟磷酸盐玻璃 高水平放射废物 废物固化 高废物包容量 化学稳定性 热稳定性 fluorphosphate glass high level radioactive waste waste immobilization high waste loading chemical stability thermal stability
南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210009
稀土掺杂磷酸盐玻璃具有优异的光学和光谱特性，在激光介质材料、有色滤光材料等领域中有着重要的应用。在研究P2O5－BaO－Al2O3－Sm2O3(PBAS)玻璃形成能力的基础上，借助NMR、红外吸收光谱等分析手段，研究了玻璃的结构特点以及在各种化学介质条件下玻璃的化学稳定性能、玻璃的组成和结构对化学稳定性的影响。结果表明：玻璃结构主要由磷氧四面体[PO4]3－和铝氧八面体[AlO6]3－构成；Al3+含量越高，玻璃结构越稳定，玻璃的耐水性和耐酸性也越好；玻璃结构中阳离子的极化能力越强，玻璃的耐酸性越好，侵蚀过程中玻璃表面形成的“缺碱层”在一定程度上减缓了化学介质的侵蚀程度；在碱性介质中，磷酸盐长链末节的金属离子被水化，产生P－O－P断键，形成正磷酸盐溶解到溶液中，稀土离子含量的增加，在一定程度上恶化了玻璃的耐碱性能。
稀土 磷酸盐玻璃 结构 化学稳定性 rare earth phosphate glass NMR NMR structure chemical durability
中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
通过优化熔融条件和玻璃组份,成功开发出一种新的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃,其在沸水和熔盐中均表现出很好的化学稳定性。通过分析室温下Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃的吸收光谱,计算得到了Er3+离子在波长1533 nm处的峰值发射截面和杜得-奥菲而特强度参数；其中Er3+离子在波长1533 nm处的峰值发射截面为0.72×10-20 cm2,大于Schott的IOG1玻璃中Er3+离子的峰值发射截面0.67×10-20 cm2。通过改变离子交换的条件,获得了1.55 μm单模光波导的制作条件；制作的波导传输损耗均小于1 dB/cm。初步的离子交换实验表明,Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃WM4完全适合波导放大器的制作。
材料 Er3+/Yb3+共掺 化学稳定性 离子交换 波导放大器
