90Sr,137Cs及其衰变子体的人造岩石固化研究

In the process of decay, nuclide is not only release energetic particles, but also generate new daughters. Generally, the valence state and ionic radius are different between parent and daughter, which may greatly change structure, chemical stability and high radiation resistance of solidified body. However, a lot of investigations mainly focused on the parent immobilized and irradiation effect, the influence of daughter on the solidification structure and stability usually is neglected in stability evaluation of ceramic solidified waste. The aim of this work is to reveal the combined action of daughters and energetic particles for the immobilization of 90Sr and 137Cs resulting from their decay. In this research, the parent and daughter of 90Sr and 137Cs are simultaneously immobilized by using isotope substitution, and an external electron irradiation is performed to simulate beta decay. Based on the combined action of daughters and energetic particles, the samples prepared with different daughter contents was subjected to electron irradiation for achieving the evolvement rule and mechanism of structure and stability under the combined action. The research can provide scientific basis for revealing the stability of solidified body in long-term disposal evolution.

核素衰变不仅释放高能粒子，还产生衰变子体。衰变子体在价态、离子半径等方面同母体通常存在较大差异，这将引起固化体结构、化学稳定性、耐辐照性等的改变。针对核素固化处理中多注重固化母体核素及核素衰变辐照效应，忽视衰变子体对固化体结构及稳定性的影响，提出同时考虑衰变子体与衰变释放的高能粒子共同作用对固化体结构、物相组成、稳定性等的影响。项目以90Sr、137Cs及其衰变子体的稳定同位素原位取代母体及子体，以外电子辐照模拟衰变释放的高能β-粒子，研究β粒子辐照与衰变子体共同作用下固化体的结构及稳定性。通过改变辐照剂量、固化体中子体含量，揭示共同作用对固化体结构及物理化学性能的影响机制，建立处置环境下β粒子辐照、衰变子体共同作用与固化体的结构、稳定性间的关系。该研究可为真实核素固化体的长期稳定性提供科学依据。

90Sr和137Cs是两种主要的裂变产物，大量存在于核燃料循环所产生的废液中。为了减少锶和铯对环境造成的潜在危害，在地质处置前，必须将其固化在稳定的寄主基材中。项目以稳定元素88Sr、89Y，133Cs、137Ba分别作为90Sr、137Cs及其衰变子体的模拟核素，制备了Sr1-xYxTiO3、[Ba,Cs][M,Ti]8O16和钙钛矿-碱硬锰矿复合固化体。基于90Sr和137Cs衰变产生的子体与其母体在价态、离子半径存在较大差异，研究了子体原位取代母体对其寄主相结构及稳定性的影响。以外电子辐照模拟90Sr衰变释放的高能β粒子，研究了β粒子辐照前后SrZrO3固化体物相、晶体结构、微观结构等的变化；采用MCC-1法研究了[Ba,Cs][M,Ti]8O16固化体的化学耐久性。研究结果表明：90Sr与其衰变中间子体90Y可同时占据钙钛矿型结构(ABO3)的A位，并保持ABO3型结构。在电子辐照下，SrZrO3显示了较好的抗辐照稳定性。在碱硬锰矿(A2B8O16)中，[Ba,Cs][M,Ti]8O16固溶体保持了稳定的四方碱硬锰矿结构，经28天的去离子水浸泡，[CsxBay][(Al3+,Ti3+)2y+xTi4+8-2y-x]O16体系中Cs的归一化浸出率低于6.0×10-3 g·m-2·d-1。采用喷雾热解法，在比传统高温固相法低约200°C下制备出高相纯(Cs0.8-xBa0.4+x)(Al3+1.6+xTi4+6.4-x)O16碱硬锰矿固化体，Cs的滞留量高于85wt%，有效减少了高温烧结过程中Cs的挥发。此外，制备的同时晶格固化Sr和Cs的钙钛矿-碱硬锰矿复合固化体具有较致密的显微结构。这些研究结果对揭示90Sr和137Cs衰变所引起的固化体物理化学等性能的演变及裂变产物固化处理具有重要意义，可为放射性废物的安全处理与处置提供一定的理论支持。