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      1. 核廢料存儲材料的長期穩定性與耐久性——最新成果與國內外研究現狀
        2016-07-25 18:28:25 作者:陳靖 清華大學 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

         

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            目前放射性廢物的處理方法,基本上就是進行固化處理和減容處理后進行最終處置。中低放廢物可以進行近地表處置,相對容易技術成熟度也高。高放廢物必須進行深地質處置,形成“固化體 + 廢物儲罐 + 緩沖回填工程屏障 + 圍巖”的多重屏障體系,與生物圈長期安全隔離。因此高放廢物存儲材料的長期穩定性與耐久性至關重要。其中涉及到的主要材料就是固化體、包裝容器與回填材料。


            固化體材料主要有玻璃與人造巖石。廣泛選用的是硼硅酸鹽玻璃 , 其長期穩定性、對放射性核素的保持能力與玻璃固化工藝密切相關。近年來,主要研究了溫度、壓力對石英溶解的影響,建立了地球化學模型來評估不同組成、壓力、溫度、pH 條件下玻璃固化體的相轉變和溶解方程。另外,鉑族元素(Ru、Rh、Pd)在玻璃體中的溶解性能差,它們在固化流程中行為復雜。近年來,研究了不同溫度下玻璃體中鉑族元素的團聚行為;利用 EXAFS 等現代技術手段研究了玻璃固化體中鉑系元素的氧化還原態。


            人造巖石特別適合于固化高放廢物中的錒系元素。近年來,借助 XRD、 BSE、EDS、SEM、TEM、XPS 等現代技術手段,開展了大量的相關研究工作。如,將 U 3 O 8 固定化到Gd 2 Zr 2 O 7 ;研究具有復雜的點陣的莫拉礦固化放射性核素的晶體結構;研究 Gd 1-x Yb x PO 4 陶瓷體用于放射性廢物固定化的相轉變過程等。


            包裝容器是阻止固化體中放射性核素向環境遷移的第一道屏障,大多采用雙層結構的容器來包裝高放核廢物。內包裝基本選用碳鋼材料。外包裝雖然有的選用鎳 - 鉻 - 錳合金或者不銹鋼外澆混泥土,但是由于銅的地下水環境中抗腐蝕性能好,被大多數國家選為外包裝材料。近年來,有大量的相關材料腐蝕研究報道,主要研究輻射、水環境、溫度、微生物等因素的影響,結果表明:巖鹽環境中鈦鈀合金耐腐蝕性能較好;粘土環境中,不銹鋼、鎳合金與鈦合金都不錯;花崗巖環境中,銅的耐腐蝕性能很好。


            緩沖回填材料中蒙脫石黏土(膨潤土)是目前被認為是最佳選擇。由于膨潤土在堿性環境下穩定性變差,近年來對此開展了大量的研究工作。如,Soler 等建立了堿性環境下庫巖中水和水泥基灌漿的反應遷移模型;Savage 等借助 Searles 湖的自然系統的礦物學證據建立了黏土的轉化模型,證明蒙脫土在pH<9 時具有相對惰性,但是在相對溫和的堿性條件下(pH=9-10)表現出反應活性;Milodowski 等研究了地中海塞浦路斯島堿性地下水和膨潤土的反應,表明在 104-106 年的時間內,堿性地下水和膨潤土的反應是有限的。


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            未來發展

         

            核廢料儲存過程中一些關鍵核素(如鉑族元素)自身的揮發、擴散,遷移等行為以及與固化機體材料的相互作用直都接影響固化體的結構和長期穩定性,需要開展深入研究。合金材料的耐腐蝕性能好,但是成本貴,開發低成本耐腐蝕性能好的包裝材料也是未來的一個發展方向。


            回填材料是阻止放射性核素進入圍巖的最后一道屏障,因此需要深入研究放射性核素在回填材料中的吸附、解析、擴散與遷移行為。


            由于放射性實驗操作難度大,過去大部分研究工作都在模擬體系中進行,未來必須越來越接近真實體系去研究放射性核素本身、放射性核素的衰變和輻照對材料長期穩定性的影響。

         

            作者簡介

         

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            陳靖,清華大學長江特聘教授,從事核化學化工教學與研究,核學會核化工分會副理事長。獲高校科技進步二等獎1項、國防科技二等獎2項、第七屆中國青年科技獎、教育部霍英東青年教師一等獎。被評為跨世紀優秀人才,獲得基金委杰出青年基金支持。

         

         

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