CN109859877A - 一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法 - Google Patents

Abstract

一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法，该方法以核用石墨粉末为固化材料，首先配制含有Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的模拟核素混合料液，然后将环氧树脂与石墨粉末混合，经机械搅拌使其混合均匀；在搅拌过程中加入模拟核素混合料液，然后再加入T‑31酚醛胺固化剂，继续搅拌形成能流动的混合体；再将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体。该方法操作简单，无需加热，成本低，避免了放射性物质的泄露问题。在常温下，放射性石墨废物包容量可以达到30％。在辐照剂量不大于10⁶Gy情况下，辐照对环氧树脂固化体的硬度、表面结构、模拟核素的抗浸出性能没有明显影响，表明该方法制备的固化体具有优良的抗浸出性和辐照性能。

Description

一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法

技术领域

本发明涉及一种高温气冷堆乏燃料元件的废石墨粉末处理方法，适用于放射性条件下高温气冷堆乏燃料元件的废石墨粉末，属于核废物处理技术领域。

背景技术

后处理过程有利于实现对放射性废物的分离和分类管理，能够合理地管控放射性废物问题，并能实现降低放射性废物的毒性，提高放射性废物处置的安全性。

放射性废物处理处置是核能发展面临的关键问题之一，而放射性石墨是反应堆核废物的重要组成部分。高温气冷堆乏燃料元件可以通过电化学解体实现石墨废物与燃料包覆颗粒的有效分离，在此处理过程中会产生大量的石墨粉末废物；同时高温气冷堆运行过程中也会产生其他的放射性石墨废物，高温气冷堆乏燃料元件基体石墨中的放射性元素主要有以下几种：主要是¹⁴C和³H，还可能有石墨中杂质元素的活化产物⁶⁰Co，以及有可能从燃料核芯释放出来的少量放射性元素，如⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和锕系元素等。目前还无妥善的处理处置方法，因此如何处理处置放射性石墨已成为亟待解决的问题。目前对放射性石墨的处理处置，科学家们普遍认为先将放射性石墨进行固化处理，然后将所得的放射性石墨固化体进行最终的地质处置是较为可行的方式之一。对放射性石墨进行可靠的固化处理可以达到两个基本目的：一是使放射性石墨转变成便于安全转运、存储和处理操作的固化体：二是将放射性石墨中的核素固结，阻止放射性核素在生物圈扩散。

石墨废物固化技术主要有水泥固化、玻璃固化、自蔓延高温固化等，但在放射性环境下的实际应用中面临诸多困难。而以塑料为固化基材的固化方式具有工艺简单、设备简便、操作安全、运行可靠性高、经济性好及包容废物量高等优点。由于塑料固化的诸多优点，上世纪八十年代有人曾尝试过用塑料固化的方式来处理放射性废物，但由于塑料材质本身的稳定性较差及当时相关技术的不成熟导致相应的研究没有深入下去。近些年，随着高分子合成技术的发展，一些性能优良、稳定度更高和功能性更强的高分子聚合物产品被研发出来，而这些新产品的出现可以克服以往塑料固化技术的缺陷，为塑料固化技术重新应用于放射性废物固化提供了可能。

发明内容

本发明的目的旨在开发一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法，使该方法不仅具有可操作性强，制备方法简单，而且所形成的固化体具有良好的机械性能好和稳定的化学性能，从而为放射性石墨的塑料固化技术的实际应用和推广提供一条有效的途径。

本发明的技术方案如下：

一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法，该方法包括如下步骤：

1)以核用石墨粉末为固化材料，粒径为200-400目；

2)配制含有Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的模拟核素混合料液，该料液中各离子浓度分别为135.6g/LNd³⁺、146.8g/LSr²⁺、107.7g/LCs⁺和128g/LCo²⁺；

3)将环氧树脂与核用石墨粉末混合，经机械搅拌，使环氧树脂与核用石墨粉末混合均匀；在搅拌过程中加入所述模拟核素混合料液100ul，然后再加入T-31酚醛胺固化剂，继续搅拌，形成能流动的混合体；核用石墨粉末包容量为5-30％；

4)将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体。

优选地，步骤3)中所述的环氧树脂与所述T-31酚醛胺固化剂的质量比例为3：1。

优选地，步骤3)中环氧树脂与核用石墨粉末混合时的机械搅拌时间为10-60分钟；加入T-31酚醛胺固化剂后继续搅拌时间为10-30分钟。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明与现有处理放射性石墨技术的燃烧法、玻璃固化法相比，其突出性的技术效果是常温操作，无需加热，简单可靠，避免了放射性物质的泄露问题。②由于环氧树脂具有优良的耐磨性能、机械性能、化学稳定性能和耐高低温性能，同时有收缩率低、价格低廉和易加工成型等诸多优点；本方法利用Nd、Sr、Cs和Co来模拟石墨中的放射性元素；利用T-31酚醛胺固化剂与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把石墨材料包覆在网状结构之中实现对石墨粉末废物的固化。实验研究表明，采用该方法所形成的固化体具有良好的机械性能和化学性能，即具有优良的抗浸出性和辐照性能。

具体实施方式

本发明提供的一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法，该方法是基于在常温下混合搅拌固化方法，其具体包括如下步骤：

1)以核用石墨粉末为固化材料，粒径为200-400目；

2)配制含有Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的模拟核素混合料液，该料液中各离子浓度分别为135.6g/LNd³⁺、146.8g/LSr²⁺、107.7g/LCs⁺和128g/LCo²⁺；

3)将环氧树脂与核用石墨粉末混合，经机械搅拌，机械搅拌时间一般为10-60分钟；使环氧树脂与核用石墨粉末混合均匀；在搅拌过程中加入所述模拟核素混合料液100ul，然后再加入T-31酚醛胺固化剂，继续搅拌10-30分钟，使其形成能流动的混合体。所述的环氧树脂与所述T-31酚醛胺固化剂的质量比例优选为3：1；所述的核用石墨粉末包容量为5-30％。

4)将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体。

5)在辐照剂量不大于10⁶Gy情况下辐照固化体，检测固化体的化学稳定性。下面通过几个具体实施例来详细说明本发明。

实施例1

首先配制含有Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的模拟核素混合料液，使该料液中各离子浓度分别为135.6g/LNd³⁺、146.8g/LSr²⁺、107.7g/LCs⁺和128g/LCo²⁺；包容量计算方法如下:

在常温条件下，称取环氧树脂15g,核用石墨粉末1.05g(200目),T-31酚醛胺固化剂5g(包容量5％)；先机械搅拌环氧树脂与石墨材料的混合物10min，使环氧树脂与石墨材料充分混合，在搅拌过程中加入含Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的混合料液100ul，然后加入T-31酚醛胺固化剂；继续搅拌10分钟；将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体；在辐照剂量不大于10⁶Gy情况下辐照固化体，检测固化体的化学稳定性；采用静态浸泡方法研究环氧树脂-石墨材料固化体的Nd³⁺、Sr²⁺、Cs⁺和Co²⁺离子浸出性能,42天后检测，模拟核素在辐照前后除Cs⁺的浸出率(小于10^-5cm/d)外，其他模拟核素的浸出率都小于10^-6cm/d；表明该种方法制备的固化具有优良的抗浸出性和辐照性能。

实施例2

在常温条件下，称取环氧树脂15g,核用石墨粉末3.6g(325目),T-31酚醛胺固化剂5g(包容量为15.2％)；先机械搅拌环氧树脂与石墨材料的混合物30min，使环氧树脂与石墨材料充分混合，在搅拌过程中加入含Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的混合料液100ul，然后加入T-31酚醛胺固化剂；继续搅拌15分钟；将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体；在辐照剂量不大于10⁶Gy情况下辐照固化体，检测固化体的化学稳定性；采用静态浸泡方法研究环氧树脂-石墨材料固化体的Nd³⁺、Sr²⁺、Cs⁺和Co²⁺离子浸出性能,42天后检测，模拟核素在辐照前后除Cs⁺的浸出率(小于10^{- 5}cm/d)外，其他模拟核素的浸出率都小于10^-6cm/d；表明该种方法制备的固化具有优良的抗浸出性和辐照性能。

实施例3

在常温条件下，称取环氧树脂15g,核用石墨粉末8.6g(400目),T-31酚醛胺固化剂5g(包容量为30％)；先机械搅拌环氧树脂与石墨材料的混合物60min，使环氧树脂与石墨材料充分混合，在搅拌过程中加入含Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的混合料液100ul，然后加入T-31酚醛胺固化剂；继续搅拌30分钟；将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体；在辐照剂量不大于10⁶Gy情况下辐照固化体，检测固化体的化学稳定性；采用静态浸泡方法研究环氧树脂-石墨材料固化体的Nd³⁺、Sr²⁺、Cs⁺和Co²⁺离子浸出性能,42天后检测，模拟核素在辐照前后除Cs⁺的浸出率(小于10^-5cm/d)外，其他模拟核素的浸出率都小于10^-6cm/d；表明该种方法制备的固化具有优良的抗浸出性和辐照性能。

Claims (3)

1.一种常温固化放射性石墨粉末的实验方法，该方法包括如下步骤：

1)以核用石墨粉末为固化材料，粒径为200-400目；

2)配制含有Nd(NO₃)₃、Sr(NO₃)₂、CsNO₃和Co(NO₃)₂的模拟核素混合料液，该料液中各离子浓度分别为135.6g/LNd³⁺、146.8g/LSr²⁺、107.7g/LCs⁺和128g/LCo²⁺；

3)将环氧树脂与核用石墨粉末混合，经机械搅拌，使环氧树脂与核用石墨粉末混合均匀；在搅拌过程中加入所述模拟核素混合料液100ul，然后再加入T-31酚醛胺固化剂，继续搅拌，形成能流动的混合体；核用石墨粉末包容量为5-30％；

4)将能流动的混合体浇注到模具里，压紧模具，室温保存；两周后拆开模具，取出固化体。

2.如权利要求1所述的一种基于常温固化放射性石墨的实验方法，其特征在于，步骤3)中所述的环氧树脂与所述T-31酚醛胺固化剂的质量比例为3：1。

3.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种基于常温固化放射性石墨的实验方法，其特征在于：步骤3)中，环氧树脂与核用石墨粉末混合时的机械搅拌时间为10-60分钟；加入T-31酚醛胺固化剂后继续搅拌时间为10-30分钟。