Обоснование использования индия в качестве добавки, поглощающей нейтроны, в цирконолите с помощью X

Oct 15, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9329 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Индий (In) представляет собой добавку, поглощающую нейтроны, которую можно эффективно использовать для снижения критичности керамических отходов, содержащих Pu в иммобилизованной форме, для которых цирконолит (номинально CaZrTi2O7) является кандидатом в качестве основной фазы. В настоящей работе методом традиционного твердофазного спекания при температуре 1350°С исследованы твердые растворы Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7 (0,10 < x < 1,00; синтез на воздухе) и Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7 (x = 0,05, 0,10; синтез на воздухе и аргоне). °C поддерживали в течение 20 часов с целью охарактеризовать поведение замещения In3+ в фазе цирконолита по позициям Ca2+, Zr4+ и Ti4+. При нацеливании на Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7 образовывался однофазный цирконолит-2М при концентрациях In 0,10 ≤ x ≤ 0,20; за пределами x ≥ 0,20 ряд вторичных In-содержащих фаз стабилизировался. Цирконолит-2М оставался в составе фазовой ассоциации до концентрации x = 0,80, хотя и при относительно низкой концентрации за пределами x ≥ 0,40. Синтезировать конечное соединение In2Ti2O7 твердотельным способом не удалось. Анализ XANES-спектров In K-края в однофазных соединениях цирконолита-2М подтвердил, что запасы In относятся к трехвалентному In3+, что соответствует заданной степени окисления. Однако подгонка области EXAFS с использованием структурной модели цирконолита-2М согласовывалась с размещением катионов In3+ внутри позиции Ti4+, вопреки схеме целевого замещения. При использовании U в качестве заменителя иммобилизованного Pu в твердом растворе Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7 было продемонстрировано, что как для x = 0,05, так и для 0,10 In3+ успешно стабилизирует цирконолит-2М, когда U распределяется преимущественно как в виде U4+, так и в виде U4+ и 0,10. среднее значение U5+ при синтезе в атмосфере аргона и воздуха соответственно, определенное с помощью XANES-анализа U L3-края.

Цирконолит (в идеале моноклинный CaZrTi2O7; пространственная группа C2/c; Z = 8) является кандидатом отходного материала для иммобилизации актинидов, образующихся при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), таких как U и Pu1,2,3,4. По прогнозам, запасы выделенного плутония в Соединенном Королевстве достигнут примерно 140 тэМ (тонн эквивалента тяжелого металла) после завершения продолжающейся кампании по переработке, которая завершилась в июле 2022 года. В настоящее время политика Великобритании отдает предпочтение повторному использованию; материал, не подходящий для этой цели, должен быть иммобилизован и помещен вне досягаемости5. Если эта политика окажется неосуществимой, потребуется технология обездвиживания и утилизации запасов6. В настоящее время наиболее технически осуществимым путем иммобилизации является преобразование основного материала в твердые керамические монолиты, производимые либо с помощью обычного спекания холодным прессованием (CPS), либо горячего изостатического прессования (HIP), перед утилизацией в геологическом хранилище. пункт захоронения (GDF)7,8.

Может быть желательно, чтобы отходы с высоким содержанием делящихся веществ включали подходящее количество добавок, поглощающих нейтроны, чтобы снизить вероятность возникновения критического события9,10. Роль поглотителя нейтронов внутри отходов заключается в обеспечении снижения вероятности критического события за счет уменьшения внутреннего потока нейтронов за счет поглощения. Соответственно, во время разработки форм отходов и исследования состава, в ходе которых разрабатываются и характеризуются потенциальные режимы твердого раствора между актинидной частью и материалом-хозяином, желательно гарантировать, что достаточные концентрации поглотителей нейтронов могут сосуществовать вместе. В настоящее время разработан ряд таких добавок и соответствующие механизмы их включения в цирконолит, в основном с использованием Gd3+ и/или Hf4+2,11,12,13,14,15. В то время как Gd3+ обычно размещается на сайтах Ca2+ и/или Zr4+, что требует баланса заряда с помощью уравновешивающих заряд частиц, обычно замещающих Ti4+, например Ca1-xZr1-xGd2xTi2O7 или Ca1-xGdxZrTi2-xAlxO7, Hf4+ может быть непосредственно заменен на Zr4+ на основе почти идентичные ионные радиусы (0,78 и 0,76 Å в семикратной координации соответственно), что приводит к очень незначительному изменению объема элементарной ячейки16. Однако существует ряд относительно неисследованных добавок, которые были предложены в качестве нейтронных ядов, таких как Sm, Dy, Cd, B и In. В настоящее время практически отсутствуют данные о замещении In, Cd или B в цирконолите и связанных с ним титанатных фазах.