научная статья по теме МАТРИЦА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПИРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Геология

Текст научной статьи на тему «МАТРИЦА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПИРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 1, с. 49-55

УТИЛИЗАЦИЯ И ЗАХОРОНЕНИЕ ОТХОДОВ

УДК 621.039.7

МАТРИЦА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПИРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО

ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

© 2014 г. С. В. Юдинцев*, Б. С. Никонов*, М. С. Никольский*, Б. И. Омельяненко*, А. А. Лизин**, C. В. Томилин**, А. Г. Осипенко**

*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Старомонетный пер., 35, Москва, 119017 Россия. E-mail: syud@igem.ru **ОАО "ГНЦ Научно-исследовательский институт атомных реакторов ", Димитровград-10, Ульяновская область, 433510 Россия.

Поступила в редакцию 14.01.2013 г.

Изучено строение матрицы с имитаторами отходов пирохимической переработки облученного ядерного топлива. Состав имитаторов определен с учетом свойств оксидного высокоактивного остатка, полученного в ОАО "ГНЦ НИИАР" при переработке облученного нитридного и металлического топлива. Муратаит выбран в качестве матрицы благодаря возможности его структуры изоморфно включать различные элементы отходов. Он доминирует в образце и содержит основную часть актинидов и РЗЭ. Другие фазы матрицы - титанаты (кричтонит, цир-конолит, перовскит, рутил) и щелочно-земельные молибдаты. Последние растворимы в воде, поэтому в течение 300 лет, необходимых для распада Sr-90, контакт матрицы с водой должен быть исключен за счет использования коррозионно-устойчивых контейнеров и водонепроницаемого глинистого буфера. Альтернативный способ изоляции таких отходов - синтез матрицы в инертной среде для стабилизации молибдена (IV) и его вхождения в титанатные фазы. Это позволит предотвратить образование растворимых молибдатов щелочных земель и щелочных металлов.

Ключевые слова: облученное ядерное топливо, пирохимическая переработка, высокоактивные отходы, иммобилизация, муратаитовая матрица, молибдаты.

ВВЕДЕНИЕ

Перспективным способом замыкания ядерного топливного цикла с реакторами на быстрых нейтронах служит переработка облученного ядерного топлива (ОЯТ) в радиационно-стойких расплавах хлоридов щелочей. Эта технология была разработана в США для переработки металлического ОЯТ экспериментального быстрого реактора [8, 11, 13]. В России предложен пироэлектрохимический способ регенерации оксидного топлива в солевых расплавах [8, 11], названный DDP - процесс (от Dimitrovgrad Dry Process). В результате образуются высокоактивные концентраты оксидов продуктов деления и остаточных количеств актинидов (ВАО). Для их изоляции перспективны титанатные матрицы с относительно низкой температурой плавления (<1400 оС), что упрощает дистанционный синтез в "горячих камерах" с реальными отходами.

В статье приведены результаты изучения строения муратаитовой керамики с имитаторами отходов пирохимической переработки облученного топлива.

МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИЗУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТРИЦЫ

Выбор матрицы на основе муратаита связан с разнообразными изоморфными замещениями в его структуре, обеспечивающими вхождение многих элементов ВАО [2], и низкой температурой плавления (~1330 оС). Последнее облегчает синтез матрицы с реальными отходами переработки ОЯТ в защитных камерах [4]. Основную роль в составе ВАО играют редкоземельные продукты деления, имеются молибден, стронций и уран. Для изучения межфазового распределения элементов был изготовлен образец с имитаторами ВАО состава, мас.%: 3.9 БгО, 21.9 Мо03, 27.3 Се02, 25.5 Рг6Оп,

4*

49

5.0 Nd2O3, 7.8 Sm2O3, 5.3 Eu2O3, 3.3 UO2. Молибден - типичный элемент ОЯТ и отходов его переработки, кроме того он имитирует долгоживущий изотоп технеций-99.

Для получения матрицы с максимальным содержанием муратаита приготовлена исходная смесь состава, мас.%: 55 TiO2, 10 MnO2, 10 CaO, 5 Al2O3, 5 Fe2O3, 5 ZrO2, 10 отходы. Компоненты шихты смешивали с имитаторами ВАО, помещали в алундовый тигель и плавили на воздухе при 1350 °С в течение 30 мин. Затем печь отключали, и она остывала до комнатной температуры. Образец изучен рентгенофазовым методом (Rigaku D / Max 2200, медное излучение) и на сканирующем электронном микроскопе JSM-5610LV с энергодисперсионным спектрометром JED-2300 (СЭМ/ЭДС метод).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ МУРАТАИТОВОЙ МАТРИЦЫ

По данным рентгенофазового анализа (рис. 1) муратаит доминирует в образце, имеются отражения фаз со структурой цирконолита, кричтонита, перовскита и рутила, обычных для муратаито-вых керамик [2]. Особенность рентгенограммы -это наличие рефлексов молибдатов. Данные СЭМ/ЭДС анализа подтвердили присутствие в образце муратаита, цирконолита, кричтонита, перовскита, рутила, молибдатов кальция и бария (рис. 2). Муратаит слагает около 60 об.% керамики и представлен двумя типами зерен. Первый образует зональные зерна размером до 100 микрон (рис. 2). Их центральная зона имеет более светлый цвет, а ее состав отвечает цирконолиту (табл. 1). Основная часть таких зерен состоит из

муратаита. Главное различие зон связано с концентрацией циркония. Отметим, что в составе фаз обнаружен алюминий, который изначально в шихту не вводился. Его появление обусловлено растворением материала алундового тигля в ти-танатном расплаве.

Муратаит второго типа слагает зерна с четкими границами и размером до 300 мкм (см. рис. 2 в, г, д). Их состав в разных участках несколько различен (табл. 2), особенно по содержанию титана и циркония. Основная часть цирконолита в образце находится в виде удлиненных зерен размером до 200 мкм, их состав отличается от более ранних его выделений в центре зерен муратаита меньшей концентрацией МпО. Пространство между кристаллами муратаита и цирконолита заполнено кричтонитом и перовскитом (см. рис. 2 в, д), на которые приходится до 30% образца. Для этих фаз (табл. 3) характерны повышенные содержания алюминия и марганца (кричтонит) и РЗЭ (перовскит). Рутил образует редкие удлиненные кристаллы (см. рис. 2 а), а из примесей в нем в заметном количестве обнаружен только цирконий (см. табл. 3). Таким образом, из элементов-имитаторов отходов в муратаит входит основная часть РЗЭ и актинидов (уран), меньшая доля РЗЭ локализована в цирконолите и перовските (в последнем - главным образом Се и М). Отметим, что ни в одной из титанатных фаз не найдены Ей, Мо и Бг, то есть их содержания ниже предела обнаружения СЭМ/ЭДС методом анализа, составляющим около 0.5 мас.%.

Характерная особенность образца - наличие молибдатов. Хотя их количество невелико, менее 5%, они легко выявляются на снимках в

5.00 16.0 24.0 32.0 40.0 48.0 56.0 64.0 74.95

Угол 2 тета, град.

Рис. 1. Рентгенограмма образца матрицы с имитаторами отходов. Идентификация фаз осуществлялась с использованием эталонов из международной базы данных [7]. М - муратаит, Z - цирконолит, Р - перовскит, С - кричтонит, R - рутил, Са -молибдат кальция, Ва - молибдат бария.

Рис. 2. СЭМ-изображение образца матрицы с имитаторами отходов. M - муратаит, Z - цирконолит, Р - перовскит, C - крич-тонит, R - рутил, Са - молибдат кальция, Ва - молибдат бария; a-e см. пояснения в тексте

электронном микроскопе по светлой окраске (рис. 2). Среди них имеются кальциевый и бариевый молибдаты (табл. 4). Стронций обнаружен только в кальциевом молибдате при том, что радиус Sr2+ (1.26 Â) располагается между значениями у Ca2+ (1.12 Â) и Ba2+ (1.42 Â). Для этих фаз характерна высокая растворимость в водах, что приведет к выносу радиоактивного стронция (Sr-90) из матрицы после разгерметизации контейнера.

Если в составе ВАО находится Cs (как в реальных отходах переработки ОЯТ), то он также будет входить в молибдаты. Покажем это на примере

керамики Синрок-С, разработанной для иммобилизации отходов переработки ОЯТ легководных реакторов [9] состава, мас.%: 3.7 Fe203, 0.8 Сг203, 0.3 N10, 1.6 Р205, 3.3 и308, 2.1 ^02, 0.02 Ри02, 0.5 (Ат203 + Ст203), 0.9 Rb20, 7.1 Сэ20, 2.6 Бг0, 3.8 Ва0, 1.5 Y203, 3.6 La203, 7.7 Се203, 15.0 сумма (Рг6011 + Ш203 + Рт203), 0.8 (Еи203 + Gd203),

2.3 Бт203, 12.1 Zr02, 12.7 Мо02, 1.8 Те02, 3.2 Тс207, 7.3 Ru02, 1.3 Rh203, 3.6 Pd0, 0.2 Ag20 и 0.2 Cd0.

Эталонная матрица Синрок-С состава [9], мас.%: 57.0 Т102, 5.4 Zr02, 4.3 А1203, 8.9 Са0,

4.4 Ва0 и 20 ВАО, изготовленная спеканием в

Таблица 1. Состав зерен зонального муратаита в образце по данным СЭМ/ЭДС

Оксид, мас.% Центр зерен(цирконолит) Основная часть зерен (муратаит)

т. 1 т. 2 т. 3 среднее т. 1 т. 2 т. 3 среднее

А1203* 2.2 2.1 2.2 2.2 4.2 4.7 4.4 4.4

Са0 10.2 10.2 9.4 9.8 10.6 11.1 12.0 11.2

ТЮ2 48.2 47.9 48.3 47.9 51.4 53.1 52.3 52.3

Мп0 9.1 9.3 10.2 9.5 9.8 10.8 10.6 10.4

^203 1.6 2.9 2.5 2.3 2.8 2.5 3.0 2.8

Zr02 20.5 20.8 20.9 20.6 11.9 11.1 10.9 11.3

Се203 3.0 3.0 3.0 3.0 4.5 3.6 2.2 3.4

Рг203 0.9 < п.о. < п.о. 0.3 1.9 0.9 1.2 1.3

Ш203 < п.о. То же То же < п.о. < п.о. < п.о. 1.4 0.5

Бт203 То же 1.9 1.4 1.7 То же То же < п.о. < п.о.

и02 4.3 1.9 2.1 2.7 2.9 2.2 2.0 2.4

Здесь и далее п.о. - предел обнаружения. * - растворение алундового тигля.

Таблица 2. Состав муратаита второго типа в разных участках, данные СЭМ/ЭДС

Оксид, мас.% Участок 1 Участок 2

т. 1 т. 2 т. 3 среднее т. 1 т. 2 т. 3 среднее

А1203* 3.6 4.9 4.0 4.2 4.0 4.3 5.0 4.5

Са0 10.8 11.0 10.7 10.8 11.4 12.2 11.1 11.6

ТЮ2 52.1 54.2 53.1 53.1 54.1 56.8 55.0 55.5

Мп0 9.7 9.2 10.5 9.8 8.9 8.4 7.6 8.3

^203 3.9 3.7 3.2 3.6 4.4 3.0 4.3 4.0

Zr02 13.1 11.8 12.8 12.6 7.9 8.3 7.7 8.0

Се203 4.8 3.8 2.3 3.6 3.5 4.5 4.8 4.3

Рг203 < п.о. < п.о. < п.о. < п.о. 1.9 1.6 1.8 1.8

Ш203 То же То же То же То же 1.0 < п.о. 0.7 0.6

Бт203 - « - - « - - « - - « - 1.3 То же < п.о. < п.о.

и02 2.0 1.4 3.4 2.3 1.6 0.9 2.0 1.5

Таблица 3. Состав остальных титанатных фаз (мас.%), данные СЭМ/ЭДС

Оксид цирконолит кричтонит перовскит рутил

А1203* 2.21 / 2.22 9.0 < п.о. < п.о.

Са0 11.0 / 9.8 4.3 27.6 То же

ТЮ2 49.8 / 47.9 64.9 52.3 95.7

Мп0 5.1 / 9.5 10.6 1.5 < п.о.

2.1 / 2.3 6.9 0.6 То же

Zr02 21.0 / 20.6 3.1 < п.о. 4.3

Се203 4.6 / 3.0 1.2 6.4 < п.о.

РГА 0.7 / 0.3 < п.о. 8.3 То же

Ш203 1.6 / < п.о. То же 1.4 - « -

Бт203 < п.о./ 1.7 - « - 1.8 - « -

и02 1.9 / 2.7 - « - < п.о. - « -

1 - Изолированные кристаллы цирконолита, 2 - Центральная часть зерен муратаита.

Таблица 4. Состав молибдато

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком