Ce模拟含Pu放射性废物铁磷酸盐玻璃固化体结构和化学稳定性研究

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40Fe2O3-60P2O5(mol%)的铁磷酸盐基础玻璃具有低熔点、粘度小、化学稳定性高等特点,是放射性废物固化的理想基体。本文主要利用Ce模拟放射性核素Pu,用Gd作为中子吸收剂,以40Fe2O3-60P2O5(mol%)铁磷酸盐基础玻璃为固化基体,成功制备了系列均质玻璃固化体。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman spectroscopy)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和差热分析(DTA)等测试手段,研究了铁磷酸盐玻璃对CeO2、Gd2O3和CeO2&Gd2O3的包容量、玻璃固化体微结构及热性能、析晶性能和化学稳定性等,获得了各体系形成玻璃的配方组成范围、各氧化物对玻璃结构及稳定性的影响规律。研究结果表明:1. xCeO2–(40-x)Fe2O3–60P2O5系列样品的玻璃形成范围为x≤30mol%,而xCeO2–(100-x)(40Fe2O3–60P2O5)系列样品的玻璃形成范围为x≤8mol%。两个系列的铈铁磷酸盐玻璃样品均以焦磷酸盐结构为主,有少量正磷酸盐和偏磷酸盐结构。铈铁磷酸盐玻璃样品的密度和显微硬度均随CeO2含量的增加而增大,玻璃固化体密度的增大有利于降低固化成本,显微硬度的增大表明玻璃固化体具有良好的抗冲击能力。2. xGd2O3–(40-x)Fe2O3–60P2O5系列样品的玻璃形成范围为x≤6mol%,而xGd2O3–(100-x)(40Fe2O3–60P2O5)系列样品的玻璃形成范围为x≤4mol%。根据钆铁磷酸盐玻璃的Raman和FT-IR结果,两个系列的玻璃样品均以焦磷酸盐结构为主,有少量正磷酸盐和偏磷酸盐结构。钆铁磷酸盐玻璃样品的密度、显微硬度和玻璃转化温度均随Gd2O3含量的增加而增大,表明钆铁磷酸盐玻璃固化体具有良好的抗冲击能力和较好热稳定性。钆铁磷酸盐玻璃固化体晶化处理后的结果表明Gd能够在一定温度下稳定存在于玻璃结构中。3. x(CeO2+Gd2O3)–(40-x)Fe2O3–60P2O5系列样品玻璃形成范围为x≤12mol%,而x(CeO2+Gd2O3)–(100-x)(40Fe2O3–60P2O5)系列样品玻璃形成范围为x≤8mol%。铈钆铁磷酸盐玻璃结构以焦磷酸盐结构为主,有少量的正磷酸盐和偏磷酸盐结构。铈钆铁磷酸盐均质玻璃样品密度、显微硬度和玻璃转化温度均随CeO2和Gd2O3含量增加而增大,表明铈钆铁磷酸盐玻璃固化体具有良好的物理性能。铈钆铁磷酸盐玻璃固化体晶化处理和短期浸出实验结果表明,铈钆铁磷酸盐玻璃固化体具有良好的抗析晶能力和较好的化学稳定性,表明实验设计的铁磷酸盐玻璃对模拟核废物(CeO2+Gd2O3)具有较好的包容能力。
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