Керамика на основе ферритов и алюминатов редкоземельных элементов как матрица для включения радионуклидов

Актуальность темы

.

В развитых странах значительная часть электроэнергии производится на атомных электростанциях. По данным на 2007 год [1] доля производимой, на них электроэнергии составила: 16% в Канаде, — 20% в: Великобритании-, 23%. в Германии, 34% в Японии, 39% в Южной Корее, 50% в Швеции, 77%, во Франции, присреднем по Евросоюзу в 23%. Близкую долю в энергобалансе они имеют в США (19% всей электроэнергии) и России (16%). Неизбежным следствием деятельности предприятий: — ядерной энергетики является образование радиоактивных" отходов (РАО), представляющих экологическую опасность. По объему средиших преобладают низкоактивные (НАО) и среднеактивные (GAO) отходы-, которые отверждают битумированием или цементированием: Более сложной является проблема обращения м жидкими высокоактивными отходами (BAO) с активностью выше 1 Ки/л. Они в большом количестве: образуются при.

3' ' переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) — около 13 м па одну тонну ОЯТ [2]. Эти BAO имеют очень сложный химический и радиоизотопный состав, зависящий от типа-реакторавремени: предварительной' выдержкт ОЯТ, технологии его переработки шдр. В них содержатся элементы топлива (изотопы U), трансурановые элементы, продукты делениякомпоненты оболочек топливных сборок, реагенты для выделения плутония и урана и др. Актиноиды относятся к числу наиболее опасных побочных продуктов ядерного цикла из-за высокой токсичности и больших периодов полураспада ряда элементов.

Хранение BAO в жидком виде дорого и небезопасно. Вследствие значительного тепловыделения растворы BAO требуют постоянного охлаждения во избежание испарения воды и выпадения осадков. В 1957 г. образование нитратных осадков при отсутствии охлаждения привело к взрыву емкости с BAO на ПО «Маяк» и радиоактивному загрязнению значительной территории [3]. Кроме того, коррозия ёмкостей вызывает необходимость их периодического ремонта, что приводит к повышенному облучению обслуживающего персонала.

Наиболее экологически безопасным и экономичным способом утилизации этих отходов является включение в твердые матрицы с последующим размещением в глубоких геологических хранилищах. Для иммобилизации жидких BAO' от текущей переработки ОЯТ и ранее накопленных отходов в России на ФГУП «ПО Маяк» применяют, алюмофосфатное стекло^ в других* странах (ФранцияВеликобритания) используют боросиликатное стекло. Однако стеклянные матрицы вряд ли можно признать подходящими для надёжнойдолговременной иммобилизации актиноидсодержащих BAO в связи с большими периодами' полураспада входящих в их состав трансурановых элементов: Кроме того, эти матрицыобладают высокой способностью к кристаллизации, что ведет куве-личениюих растворимости в подземных водах. Таким образом, поиск устойчивых матриц-для таких BAO является важной научной. и практической задачей. Цели и задачи работы.

Целью работы являлось получение непористой керамики на основе алюминатов и ферритов РЗЭ, а также* их твёрдых растворов методом холодного прессования с последующим^ спеканием (ХПС), установление фазового состава и определение скорости выщелачивания радионуклидов. Кроме того, в цель работы также входило исследование влияния пористости керамической матрицы на скорость выщелачивания радионуклидов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Обосновать способ синтеза тонкодисперсных оксидных порошков, пригодных для получения непористой керамики методом ХПС;

2. Оптимизировать процесс синтеза керамики на всех его стадиях (подготовка пресс-порошков и их консолидация) для получения материала с близкой к нулю открытой пористостью и плотностью более 97% от теоретической;

3. Получить образцы керамики в широком диапазоне открытой пористости и исследовать её влияние на скорость выщелачивания радионуклидов;

4. Исследовать влияние степени взаимного замещения А1 и Бе на свойства, керамики и её устойчивость к выщелачиванию актиноидов на примере инкорпорированного 241Аш.

Научная новизна.

1. Впервые методом* «мокрого сжигания», получены тонкодисперсные порошки-составов КееРехА11. х03 (х=0.1, Кее=Ьа, С<1) и-определены оптимальные условия проведения процесса. Показано, что твёрдофазный синтез ферритов.

РЗЭ в полученных порошках завершается при температуре до 750 °C, алю) минатов — в диапазоне температур 750−900°С.

2. Методом рентгенофазового анализа исследованы порошки составов ЬахОс11. хРеОз и Ьах0с11хА10з (х=0.1). Установлено, что при’замещении более 50% Ьа на Ос1 гексагональная решёткаЬаАЮз переходит в орторомби-ческую решётку Сс1А10з.

3. Впервые исследованы смешанные алюминатно-ферритные составы и показано, что частичное замещение • алюминия железом позволяет снизить температуру обжига керамики с получением нелористого материала.

4. Впервые изучена скорость выщелачивания 908 г из ферритной керамики в широком диапазоне открытой пористости (от 0,1 до 28%). Показано, что при использовании В (расчётах геометрической поверхности монолитных образцов скорость выщелачивания снижается с уменьшением открытой пористости материала. При использовании в расчётах поверхности, измеренной адсорбционным методом, различия в скоростях выщелачивания: из керамики с разной пористостью в значительной степени нивелируются.

5. Впервые исследована устойчивость алюминатно-ферритной керамики К. ееРехА11×03 (х=0.1, 11ее=Ьа, Сс1) к выщелачиванию радионуклидов (908г, 24'Ат). Показано, что наименьшей скоростью выщелачивания характеризуются матрицы на основе алюмината и феррита лантана.

Практическая значимость.

Методом ХПС из шихты оксидов РЗЭ, А1, Бе получена керамика с близкой к нулю открытой пористостью и плотностью более 97% от теоретической. Найдены режимы получения и консолидации порошков. На примере инкорпориро.

241 л 90п ванных Ат и ьг подтверждена высокая устойчивость полученной керамики к выщелачиванию водой.