一种Ce-Cr-Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于高放射性固态核废料固化处理技术领域，公开了一种Ce

【技术实现步骤摘要】
一种Ce
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Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高放射性核废物处理
，更具体地，涉及一种Ce
‑
Cr
‑
Fe共掺钙钛矿陶瓷固化体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]核能作为一种高密度的清洁能源，在全球迅速发展，在核燃料循环的整个过程中，开采、转换、燃料制造、放射性制药工业、核电厂、燃料循环配套设施、研究以及开发活动均会产生放射性废物。作为核能终端裂变堆和后处理产生的高放射性废物，包含半衰期长(钚239半衰期为24100年)、放射性强(α/β粒子和γ射线)、毒性高(钚摄入半致死量为0.089毫克)的锕系元素和裂变元素。同时，反应堆与后处理里的不锈钢结构部件中的铁、铬元素，通常与α废物和高放射性核废物共存，钢制结构与锕系元素等高放射性核废物的分离成本高、化学去污工艺复杂、二次废液产生量大，因此，协同安全处理与处置高放射性核废物与不锈钢构件，使其与土水系统和生物圈实现充分、可靠和长期的隔离，在核设施退役和乏燃料后处理运行中有着非常重要的现实意义。由于核素半衰期较长、毒性高、放射性强，在实验过程中通常采用氧化铈模拟高放射性废物中氧化钚。
[0003]钙钛锆石(CaZrTi2O7)作为一种固化高放射性废物的宿主相，可在Al、Fe、Cr等元素作为电荷补偿元素的情况下，实现固化多种核素(钚、镎、铀等)。其中Al、Fe、Cr及模拟核素均以氧化物形式掺杂得到钙钛锆石固化体，在2020发表的文献Influence of Transition Metal Charge Compensation Species on Phase Assemblage in Zirconolite Ceramics for Pu Immobilisation中报道，通过固态反应烧结，以Cr2O3和CeO2掺杂形成的Cr
‑
Ce共掺钙钛锆石陶瓷固化体(Ca1‑
x
Ce
x
ZrTi2‑
2x
Cr
2x
O7)具有较高的气孔率；以Fe2O3、CeO2掺杂形成的Fe
‑
Ce共掺钙钛锆石陶瓷固化体(Ca1‑
x
Ce
x
ZrTi2‑
2x
Fe
2x
O7)生成较多钙钛矿杂质相(当掺杂量为x＝0.35时，钙钛矿含量为3.46
±
0.60wt.％)，其中钙钛矿会降降低钙钛锆石的抗浸出性能。两者均不能很好的实现放射性废物固化体的长期深地存储。到目前为止，Fe和Cr元素仅作为电荷补偿元素，且以氧化物的形式单独参与核废料固化，未涉及到因核废料污染的不锈钢(主要成分为铁、铬)的固化问题，同时其不锈钢与高放射性核废物分离工艺复杂、成本高。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本专利技术首要目的在于提供一种Ce
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Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石型陶瓷固化体。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供上述Ce
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Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石型陶瓷的制备方法。为了更好的贴合实际核废料及其污染的不锈钢处理情况，同时实现简化工艺，降低成本，本专利技术将核废料污染的不锈钢破碎后与核废料协同固化的理念，以铈元素模拟钚核素，金属铁和铬模拟不锈钢，通过固态反应烧结制备Ce
‑
Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石固化体。
[0006]本专利技术的再一目的在于提供上述Ce
‑
Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石型陶瓷的应用。
[0007]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0008]一种Ce
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Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石型陶瓷固化体，所述共掺钙钛锆石型陶瓷固化体的化学式为Ca1‑
x
Ce
x
ZrTi2‑
2x
Cr
x
Fe
x
O7，其中x＝0.05～0.35。
[0009]优选地，所述共掺钙钛锆石型陶瓷固化体是将钛酸钙、二氧化钛、氧化锆、氧化铈、铁粉和铬粉混合，加入溶剂和氧化锆磨球进行球磨混合，干燥后过筛得到混合粉体；再将混合粉体进行干压成型成陶胚，将陶胚在650～900℃煅烧，再升温至1200～1400℃进行烧结，随后降至室温制得。
[0010]优选地，所述铁粉的粒径为10～200μm；所述铬粉的粒径为10～200μm；所述钛酸钙、二氧化钛、氧化锆、氧化铈的粒径均为20nm～10μm。
[0011]优选地，所述溶剂为无水乙醇或丙酮。
[0012]优选地，所述干压成型的压力为30～40MPa。
[0013]所述的Ce
‑
Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体的制备方法，包括以下具体步骤：
[0014]S1.将钛酸钙、二氧化钛、氧化锆、氧化铈、铁粉和铬粉混合，加入溶剂和氧化锆磨球进行球磨混合，干燥后过筛，得到混合粉体；
[0015]S2.将混合粉体在30～40MPa进行干压成型，制得陶胚；
[0016]S3.将陶胚于马弗炉升温至650～900℃保温；然后升温至1200～1400℃保温，再降温至室温，制得Ce
‑
Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体。
[0017]优选地，步骤S1中所述球磨的转速为200～300r/min，所述球磨的时间为12～24h，所述过筛的孔径为100～200目。
[0018]优选地，步骤S1中所述升温和降温的速率均为5～10℃/min；升温至650～900℃保温的时间为5～10，升温至1200～1400℃保温的时间为10～24h。
[0019]所述的Ce
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Cr
‑
Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体在处理高放废物领域中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]1.本专利技术以铈元素模拟钚核素，金属铁和铬模拟不锈钢，通过固态反应烧结制备Ce
‑
Cr
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Fe共掺钙钛锆石固化体，实现了Ce、Cr、Fe元素同时固溶到钙钛锆石中，对放射性核素及核素污染的不锈钢的协同模拟固化。
[0022]2.本专利技术相比于Ce
‑
Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体的主要相为钙钛锆石，避免了相分离，生成的有害相钙钛矿有所减少，相比于Ce
‑
Cr共掺钙钛锆石陶瓷固化体中的气孔率有所减少，具有更加优良的抗浸出性能。
[0023]3.本专利技术制备的钙钛锆陶瓷石固化体主要相为钙钛锆石，避免了相分离，以金属单质Cr和Fe为原料，更贴合实际地实现对核废料污染的不锈钢的模拟固化，简化了工艺，降低了成本工艺，致密度高(98％以上)，化学性质稳定，热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ce
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Cr
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Fe共掺钙钛锆石型陶瓷固化体，其特征在于，所述共掺钙钛锆石型陶瓷固化体的化学式为Ca1‑
x
Ce
x
ZrTi2‑
2x
Cr
x
Fe
x
O7，其中x＝0.05～0.35。2.据权利要求1所述的Ce
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Cr
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Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体，其特征在于，所述共掺钙钛锆石型陶瓷固化体是将钛酸钙、二氧化钛、氧化锆、氧化铈、铁粉和铬粉混合，加入溶剂和氧化锆磨球进行球磨混合，干燥后过筛得到混合粉体；再将混合粉体进行干压成型成陶胚，将陶胚在650～900℃煅烧，再升温至1200～1400℃进行烧结，随后降至室温制得。3.根据权利要求2所述的Ce
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Cr
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Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体，其特征在于，所述铁粉的粒径为10～200μm；所述铬粉的粒径为10～200μm；所述钛酸钙、二氧化钛、氧化锆、氧化铈的粒径均为20nm～10μm。4.根据权利要求2所述的Ce
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Cr
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Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇或丙酮。5.根据权利要求2所述的Ce
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Cr
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Fe共掺钙钛锆石陶瓷固化体，其特征在于，所述干压成型的压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，艾曲，孙世宽，陈原彬，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：