Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью



Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью
Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью
Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью

 


Владельцы патента RU 2566084:

Караваев Павел Михайлович (RU)
Мальчукова Евгения Валерьевна (RU)
Абрамов Алексей Станиславович (RU)
Теруков Евгений Иванович (RU)

Изобретение относится к области иммобилизации и хранения ядерных отходов. Предложена композиция содопированного оксидами самария и гадолиния алюмоборосиликатного стекла с повышенной радиационной стойкостью для иммобилизации и хранения радиоактивных отходов, состоящая из (молярные проценты): SiO2 62-65, В2О3 16-17, Al2O3 4-5, Na2O 12-13, ZrO2 1,7-1,9 и оксидов самария и гадолиния в концентрациях (молярные проценты): Sm2O3 0,15 и Gd2O3 0,15. Технический результат - увеличение радиационной стойкости алюмоборосиликатных стекол. 1 ил., 2 табл., 5 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к атомной промышленности, а более конкретно, к композиции многокомпонентного алюмоборосиликатного стекла для изоляции и хранения высокоактивных отходов ядерного топлива.

Алюмоборосиликатные стекла используются в настоящее время для захоронения ядерных отходов средней и малой активности в России, Франции, США, Японии, Китае. По сравнению с однокомпонентным кварцевым стеклом (α-SiO2) алюмоборосиликатное стекло обладает высокой радиационной стойкостью - до 104 Грей. Другим достоинством алюмоборосиликатных стекол в качестве иммобилизующего и изолирующего материала является химическая инертность по отношению к химическому составу ядерных отходов (D.D. Walker et al, "Leach rate studies on glass containing actual radioactive waste", Nuclear and Chemical Waste Management, Vol. 3, Issue 2, 1982, 91-94).

Известны композиции алюмоборосиликатных стекол для хранения радиоактивных отходов. Например, композиция, описанная в патенте США №7019189, 2006 год. В состав композиции стекла входят стеклообразующие оксиды в следующем соотношении, массовые %: SiO2 более 30%, В2О3 от 8.7% до 15,3%, Al2O3 от 8,7% до 15,1%, СаО от 0,2% до 2,3%, фториды от 1% до 3%, а также оксиды различной валентности в концентрациях от 1 до 4 молярных долей. Подобные композиции с небольшими вариациями в процентном составе компонентов описаны в патентах США №№7550645, 2009 год, 7825288, 2010 год. Предлагаемые композиции обладают высокой степенью полимеризации для облегчения технологических процессов иммобилизации ядерных отходов в стеклянную матрицу, таких как перемешивание радиоактивных отходов с расплавом стекла и последующее формование остеклованных блоков для захоронения.

В патенте РФ №2523715 описана следующая композиция алюмоборосиликатного стекла, массовые %: SiO2 от 45% до 52%, В2О3 от 12% до 16,5%, Na2O от 11% до 15%, Al2O3 от 4% до 13%, а также оксиды переходных элементов, платиноидов и редкоземельных металлов в количестве 0-5,25 массовых %.

Предлагаемая композиция предназначена для остекловывания жидких радиоактивных отходов средней радиационной активности.

В настоящее время на практике при остекловывании продуктов деления ядерного топлива применяется так называемое стекло R7T7, выбранное за аналог, которое является алюмоборосиликатным стеклом, имеющим следующий состав, массовые %: SiO - 45%, B2O - 14%, Na2O - 10%, Al2O3 - 5%, оксиды продуктов деления, Zr, U, металлические частицы 13%, в том числе платиноиды (RuO2, Rh, Pd), остальное составляют оксиды Fe, Ni, Cr, Са, Zn (Handbook of Advanced Radioactive Waste Conditioning Technologies, Edited by M.I. Ojovan, Elsevier, 2011).

Общим недостатком всех вышеописанных композиций алюмоборосиликатных стекол является недостаточно высокая радиационная стойкость. Показано (В. Boizot et al, "Raman study of β-irradiated glasses", J. Non-Cryst. Solids, 243, 268-272, (1999); B. Boizot et al, "Migration and segregation of sodium under β-irradiation in nuclear glasses", Nucl. Instr. Methods B, 166-167, 500-504 (2000); B. Boizot et al, "Dose, dose rate and irradiation temperature effects in β-irradiated simplified nuclear waste glasses by EPR spectroscopy", J. non Cryst. Solids, 283, 179-185 (2001)), что под воздействием высоких доз β-облучения (~109 Грей) в существующих алюмоборосиликатных стеклах происходят следующие изменения:

- выделение свободного кислорода из структуры стеклянной матрицы,

- увеличение полимеризации структуры стеклянной матрицы,

- образование структурных дефектов стеклянной матрицы.

Перечисленные изменения приводят к существенным ухудшениям механических свойств матриц из алюмоборосиликатных стекол для хранения радиоактивных отходов (K.J. Yang et al, "Study of irradiation damage in borosilicate glass induced by He ions and electrons", Nucl. Instr. Methods B, 307, 541-544, (2013)).

Задачей данного изобретения является создание композиции на основе алюмоборосиликатного стекла, обладающей высокой радиационной стойкостью для изоляции и хранения радиоактивных отходов.

Известно, что структурная эволюция алюмоборосиликатных стекол под действием β-излучения, приводящая к ухудшению их механических свойств, связана с миграцией ионов щелочных металлов, входящих в состав стекла (В. Boizot et al, "Migration and segregation of sodium under β-irradiation in nuclear glasses", Nucl. Instr. Methods B, 166-167, 500-504 (2000)). Поэтому, если уменьшить подвижность ионов щелочных металлов, то удастся снизить развитие вышеперечисленных структурных изменений и, соответственно, увеличить радиационную стойкость алюмоборосиликатных стекол.

Для решения поставленной задачи предлагается содопировать модельную алюмоборосиликатную матрицу, близкую по композиции к стеклу-аналогу R7T7, оксидами гадолиния и европия.

Для демонстрации эффекта увеличения радиационной стойкости было синтезировано модельное алюмоборосиликатное стекло, близкое по композиции к стеклу-аналогу R7T7, и стекла, на основе модельного, содопированные оксидами гадолиния и самария в суммарной концентрации 0,3 молярных процента и различных соотношениях между концентрациями оксидов-содопантов. Затем стекла подвергались β-облучению в генераторе ван де Граафа с дозой облучения до 109 Грей.

Далее при помощи метода электронного парамагнитного резонанса измерялась концентрация структурных дефектов, образовавшихся в полученных содопированных стеклах и недопированном стекле под действием облучения.

Состав шихты для синтеза модельного стекла и состав синтезированного модельного стекла приведен в таблице 1.

Метод получения модельного, недопированного, алюмоборосиликатного стекла заключался в плавлении смеси порошков исходных материалов. Порошки исходных материалов (Таблица 1) (99.999 степень чистоты) взвешивались, при этом ошибка измерения определялась точностью весов. Величина систематической ошибки не превышала 10 мг (менее 0.05% для каждого компонента). Смесь помещалась в измельчительную машину с рабочей ступкой из инертного материала повышенной твердости (агат), где после тщательного размешивания в течение 40-50 минут получалась гомогенная смесь, которая затем плавилась в платиновом тигле в электропечи при атмосферных условиях.

Процесс плавки занимал 14 часов и состоял из следующих этапов:

1. постепенное нагревание до 750°С в течение 2 часов,

2. плавление при температуре 750°С в течение 10 часов (декарбонизация),

3. нагревание до 1500°С в течение 1 часа (для удаления пузырьков),

4. плавление при 1500°С в течение 1 часа.

Затем образцы стекла закаливались путем выливания полученного расплава на массивную медную пластину, находящуюся при температуре окружающей среды. Образцы имели форму таблетки 2-3 см диаметром и 0.5 см толщиной. Для удаления напряжения в образце полученные таблетки помещались в печь для отжига при 500°С в течение 1-2 ч, остывание происходило постепенно естественным путем.

Содопированные алюмоборосиликатные стекла с различными соотношениями допантов были получены добавлением к исходным компонентам (Таблица 1) порошков редкоземельных оксидов-содопантов Gd2O3, Sm2O3 в концентрациях от 0 до 0,3 молярных процентов. Допирование осуществлялось таким образом, чтобы суммарная концентрация оксидов-содопантов всегда равнялась 0,3 молярным процентам. Синтез содопированных оксидами гадолиния и самария стекол осуществлялся тем же методом, что и синтез модельного стекла. В Таблице 2 представлены концентрации оксидов-содопантов в полученных образцах содопированных стекол

На графике (Фигура 1) представлена зависимость концентрации структурных дефектов, возникших под действием β-излучения в содопированных оксидами самария и гадолиния алюмоборосиликатных стеклах при дозе облучения 109 Грей, от соотношения концентраций оксидов-содопантов. Концентрации дефектов в содопированных стеклах нормированы на концентрацию дефектов в исходном, недопированном, стекле.

Для содопированных стекол оптимальными являются следующие концентрации оксидов-содопантов, молярные %: Sm2O3 - 0,15%, Gd2O3 - 0,15%. При этом процент структурных дефектов, накопившихся в содопированных оксидами редкоземельных элементов стеклах, после дозы β-излучения 109 Грей, по сравнению с недопированным стеклом (100% дефектов) составляет 30%.

Таким образом, добавление в композицию алюмоборосиликатного стекла оксидов самария и гадолиния (содопирование) способно в три раза, по сравнению с несодопированным стеклом (табл. 1), уменьшить количество структурных дефектов, возникающих в модельном алюмоборосиликатном стекле под действием β-излучения, и, соответственно увеличить радиационную стойкость матриц из такого стекла, предназначенных для хранения радиоактивных отходов.

Композиция содопированного оксидами самария и гадолиния алюмоборосиликатного стекла с повышенной радиационной стойкостью для иммобилизации и хранения радиоактивных отходов, состоящая из (молярные проценты): SiO2 от 62 до 65, B2O3 от 16 до 17, Аl2O3 от 4 до 5, Na2O от 12 до 13, ZrO2 от 1,7 до 1,9 и оксидов редкоземельных элементов, таких как самарий и гадолиний, в концентрациях (молярные проценты): Sm2O3 0,15 и Gd2O3 0,15.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к обезвреживанию жидких радиоактивных отходов, и может быть реализовано при утилизации радиоактивных отходов методом отверждения в стабильные твердые матрицы.

Заявленная группа изобретений относится к средствам переработки жидких радиоактивных отходов. В заявленном способе в загрязненную жидкость частично погружают один конец капиллярно-пористого элемента, на другом конце которого путем пропускания электрического тока создают зону выпаривания, с транспортировкой в нее загрязненной жидкости за счет капиллярных свойств пористого материала.
Изобретение относится к способу переработки жидких органических радиоактивных отходов и их изоляции от окружающей среды. В заявленном способе отверждение жидких органических отходов осуществляется путем их смешения с полимерным материалом и последующей обработкой.

Изобретение относится средствам охраны окружающей среды, а именно к способам переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), предусматривающим их иммобилизацию в кристаллический материал, и может быть использовано на предприятиях атомной энергетики и химико-металлургических производств.

Изобретение относится к области кондиционирования жидких радиоактивных отходов методом цементирования, а именно к составу для отверждения жидких радиоактивных отходов, состоящему из портландцемента и природной минеральной добавки.
Изобретение относится к алюмоборосиликатным стеклам для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности. Предложен качественный и количественный состав алюмосиликатного стекла, стеклообразующая добавка для его получения и способ обработки радиоактивного жидкого эфлюента средней активности с использованием предложенной стеклообразующей добавки, приводящий к получению указанного алюмоборосиликатного стекла.
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к области переработки жидких радиоактивных или химических отходов и их изоляции от окружающей среды, и может быть использовано на стадии вывода АЭС из эксплуатации.

Изобретение относится к проблемам охраны окружающей среды, в частности к процессам кондиционирования методом цементирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО), включая борсодержащие ЖРО.
Изобретение относится к радиохимической технологии переработки жидких высокоактивных отходов. Способ иммобилизации ВАО в пористую стеклокерамическую матрицу, получаемую путем вспенивания расплава утилизированного лампового стекла.
Изобретение относится к области атомной техники и касается технологии переработки высокосолевых жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащих до 30% органических веществ, путем включения их в магнезиальный цемент.

Изобретение относится к технологии получения люминесцентных стекол на основе силикатных, боросиликатных, боратных стекол и стеклокомпозитов, активированных редкоземельными ионами, в частности ионами Ce, Pr и Eu, для их использования в преобразователях энергии возбуждения в световое излучение видимого или УФ-диапазона.
(57) Изобретение относится к составам оптических стекол и может быть использовано в лазерных системах в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, преобразующих инфракрасное лазерное излучение в видимую область, а именно в зеленую область спектра.

Изобретение относится к легированным стеклам, которые могут использоваться в качестве антистоксовых визуализаторов ИК-излучения с 0,89-0,99 мкм, активной среды усилителей и лазерных преобразователей, функционирующих в полосе антистоксовой люминесценции, а также для визуального контроля мощности лазерного ИК-излучения.
Изобретение относится к серым стеклам, используемым в автомобилестроении, архитектуре, космической промышленности. .

Изобретение относится к стекловолокну, которое используется при изготовлении тепло- или звукоизоляционного материала. .
Стекло // 2383502
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекол, которые могут быть использованы в производстве тарных стеклоизделий. .
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов стекла, используемого в производстве электровакуумных приборов. .
Стекло // 2335467
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов стекла, используемого для изготовления изделий декоративно-художественного назначения, сортовой посуды.

Стекло // 2574230
Изобретение относится к стеклу для изготовления аморфных мелкодисперсных наполнителей, в частности стеклянных микросфер, как полых, так и монолитных. Такие наполнители могут быть использованы в различных отраслях промышленности: строительной, химической, авиационной, лакокрасочной. Техническим результатом изобретения является увеличение светопрозрачности стекла в видимой области спектра и снижение плотности полых микросфер, изготовленных из данного стекла. Стекло имеет следующий состав, мас.%: SiO2 - 62,0÷71,0; B2O3 - 3,28÷10,0; Al2O3 - 1,0÷4,0; Na2O - 5,0÷14,8; CaO - 2,0÷6,0; MgO - 1,0÷8,0; ZnO - 0,5÷8,0; S - 0,1÷1,2; CeO2 - 0,1÷3,0; Se - 0,02÷0,8. Стекло для микросфер синтезируют по общепринятой технологии. Селен вводится через селенат натрия Na2SeO3. Церий вводится в структуру стекла через оксид. SO3 вводится в стекломассу с помощью сульфатов натрия. 2 табл.
Наверх