地下水穿透情形下玻璃固化体的蚀变研究

玻璃固化体在高放废物处置库中的长期处置行为，是处置库安全评价的关键环节之一。本研究模拟极端情形下，地下水穿透包装容器与固化体接触后，固化体中元素的浸出和蚀变行为。结果表明，地下水与固化体接触后，各元素的浸出浓度迅速增大，在200 d后逐渐下降并趋于稳定；温度对固化体中不同元素浸出速率的影响不同，B和Si的浸出速率随温度的增加而增大，U和Re的浸出速率随温度的降低而增大；固化体蚀变程度随温度的升高而加重，但其蚀变层的形成会阻滞元素在其中的扩散，客观上降低了固化体蚀变速率；富Si处置环境有利于抑制固化体中元素的浸出。     

冻融法合成Sr高效吸附剂硅钛酸钠

"冻融法"合成了高效除Sr吸附剂。经扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)和热重分析(TG)等分析方法对吸附剂进行了形貌及成分表征。考察了吸附剂硅钛酸钠对非放射性模拟废液中Sr的去除能力,验证了硅钛酸钠对放射性废液中90Sr的深度净化能力。实验结果显示,合成的硅钛酸钠对废液中Sr的吸附效果十分出色,在室温、pH=13的条件下,硅钛酸钠对非放模拟废液中Sr的吸附Kd值超过105 mL/g;同时所制备的吸附剂具有极强的耐盐性。"冻融法"制备吸附剂过程简单、产量大,适于工业化生产。     

模拟高放玻璃体在高温湿气中的蚀变行为

模拟地下水穿透地质处置多重屏障情形下，地下水会以高温蒸气的形式与高放玻璃体发生反应，加速玻璃体的蚀变。采用纯水和特定的盐溶液作为浸泡剂以控制体系的相对湿度分别在100%和90%左右。模拟高放玻璃体样片用聚四氟乙烯线悬挂在浸泡剂上方并在低氧箱中平衡，分别在120 ℃和150 ℃的干燥箱内反应。通过测试浸泡液中各元素的浓度和分析玻璃体表面的腐蚀产物，以表征玻璃的蚀变速率。实验发现，温度对玻璃腐蚀的影响最为明显，湿度的影响较弱。玻璃体中大多数元素在150 ℃下的浸出速率高于120 ℃下的浸出速率2～3个数量级。90 d时，玻璃体在150 ℃下已观察到显著的腐蚀。900 d后，150 ℃下玻璃体已基本完全腐蚀；而在120 ℃下的玻璃腐蚀程度很小，900 d时腐蚀厚度仍小于50 μm。150 ℃时随着腐蚀的发生，玻璃表面的SiO2腐蚀层逐渐形成以钙的硅酸盐为主的二次矿相。     

模拟高放玻璃体在高温湿气中的蚀变行为

模拟地下水穿透地质处置多重屏障情形下，地下水会以高温蒸气的形式与高放玻璃体发生反应，加速玻璃体的蚀变。采用纯水和特定的盐溶液作为浸泡剂以控制体系的相对湿度分别在100%和90%左右。模拟高放玻璃体样片用聚四氟乙烯线悬挂在浸泡剂上方并在低氧箱中平衡，分别在120 ℃和150 ℃的干燥箱内反应。通过测试浸泡液中各元素的浓度和分析玻璃体表面的腐蚀产物，以表征玻璃的蚀变速率。实验发现，温度对玻璃腐蚀的影响最为明显，湿度的影响较弱。玻璃体中大多数元素在150 ℃下的浸出速率高于120 ℃下的浸出速率2～3个数量级。90 d时，玻璃体在150 ℃下已观察到显著的腐蚀。900 d后，150 ℃下玻璃体已基本完全腐蚀；而在120 ℃下的玻璃腐蚀程度很小，900 d时腐蚀厚度仍小于50 μm。150 ℃时随着腐蚀的发生，玻璃表面的SiO2腐蚀层逐渐形成以钙的硅酸盐为主的二次矿相。     

模拟高放玻璃固化体的析晶行为

在高放废物玻璃熔制过程中,高放废物罐中心区域玻璃长时间处于高温状态,发生析晶现象。析晶增加了高放玻璃固化体的相界面,改变了其物理性质和化学性质。为了避免析晶的发生,必须研究高放玻璃固化体的析晶行为。本工作采用恒温热处理方式,研究模拟高放玻璃固化体的析晶行为。将模拟高放玻璃粉末分别在500、600、700、800、900℃下进行了0.5~96h的热处理。采用X射线衍射法(XRD)检测热处理后样品的结晶度和晶相。XRD测试结果表明:模拟高放玻璃固化体的最大结晶度析晶温度在700℃左右;热处理后产生了三类晶相辉石、斜长石和方铈矿,辉石出现在600~900℃,为主要晶相,方铈矿出现在700~900℃,斜长石只出现在700℃。     

模拟高放玻璃固化体在多重介质下的腐蚀行为

考察了模拟高放玻璃固化体在多重介质下关键元素的浸出和玻璃表面的腐蚀行为。在90 ℃下，北山二长花岗岩、高庙子膨润土和北山地下水按一定质量比加入微型反应釜中，将玻璃片放入膨润土中，反应从7 d持续至720 d。利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）/电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析溶液中元素的浸出浓度。采用扫描电子显微镜和电子能谱分析玻璃断面的形貌和腐蚀界面的元素分布。结果表明，玻璃体腐蚀实验180 d后，各元素的浸出浓度趋近饱和。玻璃的腐蚀在初期较为缓慢，90 d后在玻璃表面有明显的腐蚀层形成。实验360 d后，玻璃表面发生非均匀腐蚀，在断面形成楔形的腐蚀区域。在多重介质下，玻璃体的平均腐蚀速率为0.4 μm/d。     

模拟高盐溶液中硫酸钛水解对Sr的去除研究

研究了硫酸钛在模拟高盐溶液中的水解反应对Sr²⁺的吸附能力并对其水解产物进行了分析。首先，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）对硫酸钛水解过程中对Sr²⁺的吸附能力进行了研究；其次，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对硫酸钛水解产物的形貌及结构进行了表征；最后，对该工艺进行了放射性工程热试验验证，验证试验以100 L/h的废液处理规模，连续运行105 h。研究结果表明，随着溶液pH值的升高，硫酸钛水解对Sr²⁺的吸附能力逐渐增强。当pH=13时，吸附能力达到最大值，此时对Sr²⁺的吸附率达99.4%，对Sr²⁺的吸附量为1.67 mmol/g。另外，研究还证明，该吸附过程是短时间内完成的，反应时间对吸附率基本无影响。放射性工程热试验验证了工艺的可行性，试验中⁹⁰Sr的去污因子（DF）达215。     

球形亚铁氰化镍钾聚丙烯腈吸附剂的制备及应用

制备了以聚丙烯腈（PAN）为骨架、亚铁氰化镍钾（KNiFC）为核心的球形复合吸附剂(KNiFC/PAN),并通过X射线衍射仪、金相显微镜和电感耦合等离子体质谱仪等手段对该吸附剂进行了分析表征。采用批式实验,研究了硝酸浓度、Na⁺、NH⁺₄、接触时间等对KNiFC/PAN吸附Cs⁺的影响,研究了吸附过程的反应动力学和吸附等温线。结果表明,该吸附剂对Cs⁺的典型吸附分配系数（K_d）为104~105 mL/g,平衡时间小于5 min;硝酸浓度小于1.0 mol/L时,K_d值基本不变,之后随酸度增加,K_d值逐步减小;随着Na⁺浓度增加K_d值逐步减小;NH⁺₄对Cs⁺的吸附有明显的竞争。KNiFC/PAN对Cs⁺的等温吸附较符合Langmuir模型,饱和吸附容量可达127 mg/g;吸附动力学符合准二级动力学模型;KNiFC/PAN对Cs⁺的吸附为化学吸附。柱实验表明,该吸附剂可用于柱实验,操作方便,可将低放废液净化至¹³⁷Cs活度浓度小于10 Bq/L,处理能力大于17 500倍床容积,可为低放废液的深度净化提供技术支持。     

高放废物模拟地质处置研究平台建立、运行及初期成果

高放废物的妥善处置是核能可持续发展的前提,在国际范围内受到高度重视,地质处置是普遍接受的方案.高放废物模拟地质处置研究平台由25套模拟多重屏障系统及其共用的低氧环境构成,可以模拟多种不同处置条件下的核素浸出情况.完成部分系统的装填运行.结果表明,多种元素的浸出受到了多重屏障的抑制,并随着时间的推移浸出浓度趋于稳定;不同的处置温度、玻璃体类型、围岩类型、膨润土含素玻璃粉均对重要核素的浸出有显著影响;多种包装材料的耐蚀性能差异显著.下一步实验中,根据现有的研究结果,对玻璃体、膨润土、包装材料等的装填进行优化,对取样系统进行改进,完善总体的实验方案,研究多种处置条件对元素的浸出影响.     

超临界水氧化处理放射性废TBP/煤油技术研究

针对乏燃料后处理常用的有机溶剂TBP/煤油,采用以质量分数为30%的双氧水为氧化剂的超临界水氧化(SCWO)处理装置进行了模拟实验。结果显示,反应温度（550±50） ℃、停留时间（9±1） min、氧化剂与有机物流量比16.5±0.5条件下,有机物无机化率可达到99.9%以上。在此基础上开展了SCWO处理工艺放射性实验研究。结果表明,在气相产物中,放射性低于检测下限;在液相产物中,α活度浓度为2.37×10³ Bq/L,β活度浓度为8.94×10² Bq/L,γ活度浓度为96 Bq/L;在固相产物中,α比活度为2 750.2 Bq/g,β比活度为5 863.3 Bq/g,γ比活度为5 840.2 Bq/g,根据放射性活度衡算,放射性核素大部分进入固体残渣中。SEM/EDS表征结果表明,反应过程产生的固体产物中,主要以U元素为主,产物中主要含U、Ni、Cr、Fe、Al的磷酸盐及氧化物。