低温水热合成岩石固化放射性废物的基础研究

Cesium deposit is distributed in earth for millions years without any pollutions. Synthesized pollucite is recognized as the most promising supported-phase for radioactive element cesium in nuclear waste, however, its synthesis temperature is very high (>1900℃), which causes the volatilization of radioactive materials and equipment corrosion easily. Hydrothermal technology could be considered as a rapid reproduce in lab for the sedimentary rock in the long diagenetic process. According to the geological evolution process that pollucite will turn into the clay mineral through analcite, hydrothermal technology could realize the reverse reappear of this evolution process, i.e. clay mineral and analcite could change into pollucite. This study focus on low temperature（≤200℃）hydrothermal synthesis of pollucite and firmly contains the radioactive element Cesium in the lattice structure of pollucite. The process will not only destroy the microstructure (adsorption characteristics) of solidificated base materials due to the low temperature, but also provides good adsorption function by the synthesized tobermorite and pollucite, which will reduce the leaching rate from hydrothermal synthesis rock greatly. Hydrothermal synthesis pollucite at low temperature to solidify Cesium is an effective disposal method, which makes the radioactive element Cesium could return to earth safely.

由于自然界里铯矿已存在千万年而没有污染地球，故合成相铯榴石公认是核废料中放射元素铯最有前景回归自然的载体相。人工合成铯榴石的温度高（>1900℃）极易造成放射性物质挥发和设备腐蚀。水热合成技术可以看成是地下堆积岩的漫长成岩过程在实验室内的快速再现。根据自然界的铯榴石经方沸石最终向粘土矿物地质演变过程，水热技术可以实现该演变过程的逆向再现，即将粘土矿物和方沸石转变为铯榴石。本研究以具有优越吸附功能的沸石材料、以及具有优良吸附功能的被铯污染的土壤和垃圾焚烧灰为固化基材，以沸石固化核废料以及固化核污染土壤和垃圾焚烧灰中的核素为目的，在不破坏固化基材微观结构（吸附特性）的前提下，水热低温（≤200℃）合成铯榴石并将铯牢固地包容进铯榴石的晶格结构中。经固化基材的吸附以及合成物托勃莫来石及铯榴石晶体的吸附和固溶（在晶格上）的双重作用，水热合成岩石的浸出率能大大降低。

2011年日本3.11大地震导致的以福岛地区为主的放射性污染，使得大面积土壤与农作物、树木、废弃物生物质被放射性元素Cs所污染。如此巨大的放射性废物量，传统固化方法的高增容量处理带来了更大的成本消耗、处理难度和数以倍记的处理量。本研究针对于大面积大体量的放射性污染物，提出低温水热固化的工艺，以污染物本身为基质，在少量添加剂或无添加剂的作用下，将污染核素Cs原位合成为铯榴石将其固定化，另外，使得固化体也具有较高的强度可以直接进行隔离处理，较好的抗Cs浸出特性，不至于造成生物圈的二次污染。.1.水热合成粘土矿物为岩石固化模拟放射性废物。铯沸石作为天然稳定存在的富铯矿物，在地质演变的过程中可以经方沸石最后转变为粘土。本研究模拟了地下热液环境，首先以偏高岭土为原料，在水热条件下合成了方沸石。其次在200℃水热条件下处理10h，成功合成了铯沸石，分析了体系的反应机理，并通过NIR、TG-DTG有效地区分了方沸石和铯沸石，研究了它们各自的结构特征。最后进行了固化模拟放射性Cs污染土壤固化处理的研究。成功将Cs掺量1.1-7.9%的模拟污染土壤（偏高岭土）水热固化合成，发现在低温水热条件下，可以将模拟Cs污染土壤固化成为Cs-方沸石固溶体。所得模拟Cs固化体具备很好的抗Cs离子浸出能力，当Cs含量较少，方沸石含量更高，孔容量较低及偏碱性环境的情况下该体系固化体有更佳的浸出表现。.2.水热合成焚烧灰为人造矿石固化放射性铯元素的研究。分别以稻壳灰和松木灰为原料，添加不同铝源，水热低温合成了具有较高纯度的铯榴石固化体；加入钙质提高铯榴石固化体的强度；分析引入氯化铯（中性）作为铯源对于合成铯榴石的影响。所得铯榴石具有很好的抗浸出能力，浸出环境对浸出过程的影响不大。.3.水热固化实际土壤为放射性铯固定材料。首先，以CsOH为模拟铯源将土壤水热固化为铯沸石，探究了不同水热条件对铯沸石合成的影响，并且通过添加Ca(OH)2增强固化体的强度。然后，以CsCl为模拟铯源将土壤水热固化为铯沸石，探究了不同水热条件对铯沸石合成的影响。最后，比较两种铯源下铯沸石的差异，探究实验参数的变化对物相变化、微观形貌、浸出性能影响的差异。