Способ получения кристаллического циркона, допированного изоморфными примесями

 

Использование: для получения кристаллического циркона, допированного изоморфными примесями. Сущность изобретения: сначала готовят шихту, при этом в шаровой мельнице в течение 1 ч смешивают порошки диоксидов урана, кремния и пудру металлического циркония. Затем шихту спрессовывают под давлением 10 МПа в виде таблеток, не снимая давления в среде гелия нагревают до 1900°С в течение нескольких минут, давление снижают до атмосферного, осуществляют продувку воздухом и снижают температуру до 1600°С. В течение трех суток снижают температуру с 1600°С до 1200°С и нагрев прекращают. Выход продукта (ZrU)SiO₄ составляет не менее 75% Размер кристаллов циркона 80 мкм.

Изобретение относится к синтезированию кристаллических материалов, включающих различные изоморфные примеси.

Известны способы синтезирования цирконов с различными изоморфными добавками (Ме) методом раствора в расплаве, включающие приготовление шихты на основе ZrO₂, MeO_x, SiO₂ и флюса (типа LiMoO₄) с последующим расплавлением смеси и кристаллизацией в условиях различного давления. В данных технологиях исключительная химическая и термическая устойчивость окиси циркония (ZrO₂), а также некоторых видов присадок (например окислов редких земель) в исходной шихте преодолевается растворением этих веществ в легкоплавком флюсе.

Недостатками данных способов получения цирконов с изоморфными добавками является наличие посторонних загрязняющих продуктов (остатков флюса), находящихся в смеси с материалом синтеза. Указанные недостатки не позволяют использовать для синтеза цирконов технологии газостатического и осевого прессования, имеющие большое значение для получения кристаллических материалов с высокотоксичными радиоактивными изоморфными примесями. Использование исходной шихты без флюса делает эти технологии экономически нецелесообразными, так как процесс синтеза требует в данном случае значительных энергетических и временных затрат.

Целью изобретения является разработка оптимального способа получения кристаллического циркона, допированного изоморфными добавками (U, Th, TR и др.) без применения легкоплавкого флюса.

Цель достигается тем, что для синтеза циркона (ZrSiO₄), допированного изоморфными примесями (Me), используют не смесь исходных окислов ZrO₂, MeO_x и SiO₂, а получают промежуточное аморфное соединение типа Zr-Me-O, которое в дальнейшем реагирует с SiO₂ с образованием заданного циркона (Zr, Me) SiO₄.

П р и м е р. В шаровой мельнице в течение 1 ч провели смешение порошков UO₂, SiO₂ и пудры металлического циркония.

Состав шихты в пересчете на металлы составил, мас. U 10,0 Zr 48,9 Si 17,1 Полученная шихта была спрессована в газостате под давлением 100 МПа в виде таблетки диаметром 15 мм и высотой 10 мм.

Не снимая давления, в среде гелия таблетка была нагрета до 1900^оС в течение нескольких минут. Далее давление было снижено до атмосферного и была осуществлена продувка воздухом, температура была снижена до 1600^оС.

В течение 3 сут происходило снижение температуры с 1600^оС до 1200^оС, после чего нагрев был прекращен.

Анализ продуктов синтеза показал, что выход высокоуранового циркона (Zr, U)SiO₄ с содержанием изоморфного урана от 6 до 10% массы составил не менее 75% Максимальный размер кристалликов циркона ≈80 мкм.

Проведенные детальные минералогические исследования техногенного циркона позволили доказать изоморфное вхождение урана в структуру циркона. Об этом свидетельствуют существенно завышенные относительно стандартов параметры элементарной ячейки (а 6,619 А; с 5,990 А при а 6,604 А; с 5,979 А для стандарта), заниженные показатели преломления (n₀ 1,916, n_e 1,965, при n₀ 1,960; n_e 2,020 для стандарта), а также отсутствие самостоятельных микрофаз урана в матрице циркона при электронно-микроскопических исследованиях.

Таким образом, синтез высокоуранового циркона осуществлялся по схеме 1) Zr_металл + UO₂ ->> Zr U O 2) Zr U O + SiO₂ ->> (Zr,U) SiO₄ ^циркон Применение данного способа делает возможным получение на основе циркона прочной кристаллической матрицы для включения в ее структуру значительных количеств радиоактивных отходов.

Данный способ может быть реализован с помощью наименее опасных в радиационном отношении технологий осевого и газостатического прессования.

Промежуточное аморфное соединение типа Zr Me O может быть в готовом виде использовано для приготовления исходной шихты или возникать в шихте, в которой в качестве основных компонентов использованы металлический цирконий, SiO₂, MeO_x.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИРКОНА, ДОПИРОВАННОГО ИЗОМОРФНЫМИ ПРИМЕСЯМИ, включающий приготовление шихты на основе цирконийсодержащего компонента и диоксида кремния с последующей термической или термобарической обработкой, отличающийся тем, что в качестве цирконийсодержащего компонента используют металлический цирконий.