Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов

 

Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов относится к области переработки и захоронения радиоактивных отходов ядерного топливного цикла и может быть использован для их фиксации в керамические матричные материалы. Достигаемый технический результат заключается в использовании простой технологии отверждения концентрата редкоземельных элементов с применением недорогого и легкодоступного исходного сырья, обеспечивающей повышение сохранности окружающей среды за счет создания многобарьерных защитных композиций и соблюдения принципа фазового и химического соответствия в системе матрица-вмещающая порода. Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов включает осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии, смешивание полученного осадка с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристалло-химические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, перетирание смеси до гомогенного состава, прессование ее при комнатной температуре и обжиг при температуре 950-1050^oС до получения керамики. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов ядерного топливного цикла и может быть использовано для их фиксации в керамические матричные материалы.

Известен способ включения высокоактивного концентрата редкоземельных элементов в устойчивую однофазную керамику на основе диоксида циркония путем смешения исходного концентрата с нитратом цирконила и кальцинирования полученной смеси с дальнейшим горячим прессованием кальцината (патент РФ N 2034345, МКИ 21 F 9/ 16, опуб. 95 г.) Недостатком этого способа является применение сложного высокотемпературного прессового оборудования и отсутствие ориентации матрицы на захоронение в какой-нибудь конкретной горной породе, что не обеспечивает надежности сохранности окружающей среды.

Известен способ керамизации концентрата редкоземельных элементов (принятый за прототип), включающий осаждения ортофосфатов РЗЭ из их концентрата - кислого раствора нитратов РЗЭ, добавление концентрированного раствора нитрата свинца, прокаливания до получения кальцината при температуре 800^oC полученной суспензии ортофосфатов в азотной кислоте, компактирование полученного осадка методом горячего прессования при температуре 1000^oC, давлении 300 кг/см² и времени выдержки 1 час (патент РФ N 2062519, МКИ 21 F 9/16, опуб. 96 г.) Однако этот способ обладает теми же недостатками, что и описанный выше.

Задачей настоящего изобретения является использование простой технологии отверждения концентрата редкоземельных элементов с применением недорогого и легкодоступного исходного сырья, обеспечивающего повышение сохранности окружающей среды, за счет создания многобарьерных защитных композиций и соблюдения принципа фазового и химического соответствия в системе матрица - вмещающая порода.

Для решения этой задачи в способе керамизации концентрата редкоземельных элементов, включающем осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии и компактирование полученного осадка, новым является то, что после прокаливания полученный осадок смешивают с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристалло-химические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, смеси перетирают до гомогенного состава, прессуют при комнатной температуре и обжигают при температуре 950-1050^oC до получения керамики.

Прокаливание лучше осуществлять при температуре 400-500^oC. Полученные после прокаливания ортофосфаты желательно смешивать с горными породами в весовом соотношении 1:1-3.

Перечисленная совокупность действий приводит к появлению кварц-полевошпатового расплава между зернами шихты (зернами силикатов и ортофосфатов), на границах которых через расплав идет диффузия РЗЭ и межгранулярная расплавная цементация. При более низкой температуре обжига керамика получается рыхлой и нестойкой к выщелачиванию, а при более высокой преобразуется в тоже нестойкое - термически и химически - стекло.

Таким образом, полученные керамические матрицы представляют из себя многобарьерные композиции из монацитов (ортофосфатов РЗЭ) и РЗЭ-содержащих минералов, которые сами по себе являются барьером для потери радионуклидов, т. к. связывает их химически, силикатов, которые препятствуют диффузии элементов, третьим барьером будут служить вмещающие породы, с которыми синтезированная керамика будет находиться в фазовом и химическом равновесии.

Пример 1. Способ проверяли в лабораторных условиях на модельном концентрате РЗЭ, в который добавляли стехиометрическое количество ортофосфорной кислоты. Полученную суспензию ортофосфатов металлов в азотной кислоте высушивали и прокаливали при 400^oC в течение 0,5 часов до распада азотной кислоты. Полученный осадок смешивали с гранитом (магматической горной породой, содержащей кварц и пертитовый полевой шпат^*) в весовом соотношении 1:1, растирали в ступке до однородного состава, а затем спрессовывали при комнатной температуре в таблетки при помощи ручного пресса. Полученные таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 1050^oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики имели состав, отвечающий природному натронортоклазу в смеси с ортофосфатами РЗЭ, плотность 2.68 г/см³. Содержание РЗЭ в полученной керамике 16.9 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90^oC на 50-е сутки≈10^-4(0,00278) г/м²·сутки.

Пример 2. То же, что и в примере 1. Полученную суспензию ортофосфатов металлов в азотной кислоте высушивали и прокаливали при 500^oC в течение 0,5 часов до распада азотной кислоты. В качестве горной породы, смешиваемой с прокаленными ортофосфатами РЗЭ, брали туф (магматическую горную породу, содержащую кварц, альбит^* и кроссит^*) в весовом соотношении к ортофосфатам 3:1. Таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 950^oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики имели состав, отвечающий природному авгиту (минералу группы пироксена) в смеси с ортофосфатами РЗЭ, плотность 2.89 г/см³. Содержание РЗЭ в полученной керамике 25.8 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90^oC на 50-е сутки≈10^-4(0,00305)г/м²·сутки.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только в качестве горной породы, смешиваемой с прокаленными ортофосфатами РЗЭ, брали апатитовую руду (магматическую горную породу, содержащую кварц, нефелин^* и апатит^*) в весовом соотношении к ортофосфатам 2:1. Таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 1000^oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики содержат ортофосфаты РЗЭ и фазу, структурно подобную кентролиту - диортосиликату R₂M₂(Si₂O₇)O₂, где R - крупные двухзарядные ионы РЗЭ, а М - небольшие трехзарядные. Плотность образцов = 2.89 г/см³. Содержание РЗЭ в полученной керамике 20 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90^oC на 50-е сутки≈10^-4(0,00153) г/м²·сутки.

^* - минералы, способные к изоморфному вхождению в них элементов РЗ [Бетехтин А.Г. Минералогия. Москва, Геолит, 1950, с. 766].

Формула изобретения

1. Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов, включающий осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии и компактирование полученного осадка, отличающийся тем, что после прокаливания полученный осадок смешивают с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристаллохимические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, смеси перетирают до гомогенного состава, прессуют при комнатной температуре и обжигают при температуре 950-1050^oC до получения керамики.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокаливание осуществляют при температуре 400-500^oC.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные после прокаливания ортофосфаты смешивают с горными породами в весовом соотношении 1:1-3.