RU2566084C1 - Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью - Google Patents
Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2566084C1 RU2566084C1 RU2014137633/04A RU2014137633A RU2566084C1 RU 2566084 C1 RU2566084 C1 RU 2566084C1 RU 2014137633/04 A RU2014137633/04 A RU 2014137633/04A RU 2014137633 A RU2014137633 A RU 2014137633A RU 2566084 C1 RU2566084 C1 RU 2566084C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- oxide
- radiation resistance
- doped
- samarium
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014137633/04A RU2566084C1 (ru) | 2014-09-18 | 2014-09-18 | Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014137633/04A RU2566084C1 (ru) | 2014-09-18 | 2014-09-18 | Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2566084C1 true RU2566084C1 (ru) | 2015-10-20 |
Family
ID=54327596
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014137633/04A RU2566084C1 (ru) | 2014-09-18 | 2014-09-18 | Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2566084C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107910087A (zh) * | 2017-01-18 | 2018-04-13 | 湖南康宁达医疗科技股份有限公司 | 射线防护硬质材料及制备方法和应用 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145582C1 (ru) * | 1998-07-21 | 2000-02-20 | Ситников Анатолий Михайлович | Светотехническое стекло |
US7019189B1 (en) * | 2004-02-23 | 2006-03-28 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
US7825288B2 (en) * | 2004-02-23 | 2010-11-02 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
RU2523715C2 (ru) * | 2008-12-30 | 2014-07-20 | Арева Нс | Алюмоборосиликатное стекло для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов и способ обработки радиоактивных жидких эфлюентов |
-
2014
- 2014-09-18 RU RU2014137633/04A patent/RU2566084C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145582C1 (ru) * | 1998-07-21 | 2000-02-20 | Ситников Анатолий Михайлович | Светотехническое стекло |
US7019189B1 (en) * | 2004-02-23 | 2006-03-28 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
US7825288B2 (en) * | 2004-02-23 | 2010-11-02 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
RU2523715C2 (ru) * | 2008-12-30 | 2014-07-20 | Арева Нс | Алюмоборосиликатное стекло для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов и способ обработки радиоактивных жидких эфлюентов |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107910087A (zh) * | 2017-01-18 | 2018-04-13 | 湖南康宁达医疗科技股份有限公司 | 射线防护硬质材料及制备方法和应用 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Crum et al. | Multi‐phase glass‐ceramics as a waste form for combined fission products: alkalis, alkaline earths, lanthanides, and transition metals | |
Zhang et al. | Effect of Zn-and Ca-oxides on the structure and chemical durability of simulant alkali borosilicate glasses for immobilisation of UK high level wastes | |
Wang et al. | Effect of neodymium on the glass formation, dissolution rate and crystallization kinetic of borophosphate glasses containing iron | |
Lu et al. | Effect of vanadium oxide addition on thermomechanical behaviors of borosilicate glasses: toward development of high crack resistant glasses for nuclear waste disposal | |
Mendel et al. | Annual report on the characteristics of high-level waste glasses | |
Pinet et al. | Glass ceramic for the vitrification of high level waste with a high molybdenum content | |
Wang et al. | Immobilization of a simulated HLW in phosphate based glasses/glass-ceramics by melt-quenching process | |
Luo et al. | Effect of TiO2 on crystallization kinetics, microstructure and properties of building glass-ceramics based on granite tailings | |
Xu et al. | Impacts of substitution of Fe2O3 for SiO2 on structure and properties of borosilicate glasses containing MoO3 | |
Barik et al. | Synthesis and characterization of rare-earth doped aluminium phosphate glasses | |
RU2566084C1 (ru) | Содопированное оксидами гадолиния и самария алюмоборосиликатное стекло с повышенной радиационной стойкостью | |
Crum et al. | Baseline glass development for combined fission products waste streams | |
Farid et al. | Preliminary assessment of modified borosilicate glasses for chromium and ruthenium immobilization | |
He et al. | A natural granite based glass-ceramics matrix for immobilizing simulated An3+ waste | |
Tan | Glass-based stabilization/solidification of radioactive waste | |
KR101507148B1 (ko) | 방사성 희토류 폐기물 유리화 방법 | |
Cassingham et al. | Property modification of a high level nuclear waste borosilicate glass through the addition of Fe2O3 | |
Crum et al. | Summary report: Glass-ceramic waste forms for combined fission products | |
KR102250443B1 (ko) | 방사성 할로겐 폐기물 담지를 위한 실버 텔루라이트 유리 | |
Danilov et al. | Hydrolytic durability of uranium-containing sodium aluminum (iron) phosphate glasses | |
Shi et al. | Effect of PbO on the chemical durability of low-temperature PbO–B2O3–ZnO glass for cesium immobilization | |
Short et al. | Devitrified and phase separated material found in simulated high level nuclear waste glasses containing Ca and Zn additions | |
Chong et al. | Compositional effects on the chemical durabilities of aluminophosphate glasses: A review | |
JP2018150190A (ja) | 放射線検出用ガラス | |
Bart et al. | Influence of platinum-group metals on nuclear glass properties: Viscosity, thermal stability and alterability |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180919 |