《鋯英石固化錒系核素特性及機理》系統地介紹了高放廢物固化處理現狀、鋯英石的結構及性質、巖漿成因鋯英石特性及γ射線輻照效應、變質成因鋯英石特性及γ射線輻照效應、人造鋯英石的制備及γ射線輻照效應、鋯英石基三價錒系模擬核素固化體特性及穩定性、鋯英石基四價錒系模擬核素固化體特性及穩定性等。《鋯英石固化錒系核素特性及機理》步驟描述具體細致，實驗過程系統完整，《鋯英石固化錒系核素特性及機理》圖文并茂、數據詳盡，具有較強的指導性和可操作性。《鋯英石固化錒系核素特性及機理》理論論證科學、實踐性強，及時、地反映了國內外在該領域的研究成果。
環境工程、礦物學、材料科學、地質類的本科生和研究生，相關專業的教學與科研人員
目錄
第1章 高放廢物固化處理概述 1
1.1 放射性廢物簡介 2
1.1.1 放射性廢物的特點 2
1.1.2 放射性廢物的分類 3
1.1.3 放射性廢物的來源 6
1.2 放射性廢物的管理原則及內容 9
1.2.1 放射性廢物的管理原則 9
1.2.2 放射性廢物的管理內容 12
1.3 高放廢物的處理策略及方法 12
1.3.1 高放廢物的安全處理策略 12
1.3.2 高放廢物的處理方法 13
1.4 高放廢物礦物固化基材的研究概況 18
1.4.1 高放廢物礦物固化基材的選取原則 18
1.4.2 高放廢物礦物固化基材的研究現狀 19
參考文獻 22
第2章 鋯英石的結構及性質 25
2.1 鋯英石的結構 25
2.2 鋯英石的性質 26
2.2.1 鋯英石的分類 26
2.2.2 鋯英石的化學成分 26
2.2.3 鋯英石的理化性質 27
2.3 鋯英石作為高放廢物固化基材的特點 28
參考文獻 28
第3章 巖漿成因鋯英石特性及γ射線輻照效應 29
3.1 樣品的采集與分選 29
3.1.1 樣品的采集 29
3.1.2 樣品的分選 35
3.2 鋯英石母巖的巖石學特征 36
3.3 鋯英石的礦物學特征 39
3.4 γ射線輻照效應 58
3.4.1 輻照后樣品的物相變化 59
3.4.2 輻照后樣品的微觀結構變化 61
參考文獻 66
第4章 變質成因鋯英石特性及γ射線輻照效應 67
4.1 樣品的采集與分選 67
4.1.1 北祁連牛心山變質雜巖的采集 67
4.1.2 瓊中高級變質雜巖的采集 67
4.1.3 遼寧清原地區角閃變粒巖的采集 68
4.1.4 樣品的分選 69
4.2 鋯英石母巖的巖石學特征 69
4.3 鋯英石的礦物學特征70
4.4 γ射線輻照效應 78
4.4.1 輻照后樣品的物相變化 78
4.4.2 輻照后樣品的微觀結構變化 79
參考文獻 82
第5章 人造鋯英石的制備及γ射線輻照效應 84
5.1 人造鋯英石的制備 84
5.1.1 人造鋯英石的配方設計 84
5.1.2 人造鋯英石的高溫固相燒結 84
5.2 人造鋯英石的特性及固核機理 85
5.2.1 人造鋯英石的物相 85
5.2.2 人造鋯英石的微觀結構 86
5.2.3 人造鋯英石的微觀形貌 88
5.3 人造鋯英石的γ射線輻照效應 88
5.3.1 人造鋯英石的物相變化 88
5.3.2 人造鋯英石的微觀結構變化 89
5.3.3 人造鋯英石的微觀形貌變化 91
參考文獻 91
第6章 鋯英石基三價錒系模擬核素固化體特性及固核機理 92
6.1 三價模擬核素固化體的設計與制備 92
6.1.1 固化體的配方設計 92
6.1.2 固化體的高溫固相燒結 93
6.2 三價錒系模擬核素固化體特性及固核機理 94
6.2.1 固化體的物相 94
6.2.2 固化體的微觀結構 95
6.2.3 固化體的微觀形貌 97
6.3 三價錒系模擬核素固化體的抗浸出行為 98
6.3.1 固化體的抗浸出實驗 98
6.3.2 固化體的抗浸出行為 99
6.4 固化體的γ射線輻照效應 100
6.4.1 固化體的物相變化 100
6.4.2固化體的微觀結構變化 101
6.4.3固化體的微觀形貌變化 103
參考文獻 104
第7章 鋯英石基四價錒系模擬核素固化體特性及固核機理 106
7.1 四價模擬核素固化體的設計與制備 106
7.1.1 固化體的配方設計 106
7.1.2 固化體的高溫固相燒結 107
7.2 四價錒系模擬核素固化體特性及固核機理 107
7.2.1 固化體的物相 107
7.2.2 固化體的微觀結構 108
7.2.3 固化體的微觀形貌 110
7.3 四價錒系模擬核素固化體的抗浸出行為 112
7.3.1 固化體的抗浸出實驗 112
7.3.2 固化體的抗浸出行為 112
7.4 固化體的γ射線輻照效應 113
7.4.1 固化體的物相變化 113
7.4.2 固化體的微觀結構變化 114
7.4.3 固化體的微觀形貌變化 116
參考文獻 117
第1章 高放廢物固化處理概述
人類在對核技術的開發和利用過程中，不可避免地要產生一定的放射性廢物，如果這些放射性廢物得不到安全而有效的處理和處置，不僅會影響和制約整個核工業的健康發展，甚至會對人類的生存環境和生命健康構成潛在威脅。尤其在2011年的日本福島核事故以后，核技術的安全應用與核廢物的安全處理處置等已成為全世界高度關注的話題。根據我國《能源發展戰略行動計劃(2014—2020)》，預計到2020年我國在運行核電機組將達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦，屆時在建規模約占世界總量的40%。因此，對于核廢物的安全處理處置成為我們當前和今后面臨的一項艱巨任務。
高放廢物是現存核廢物中難處理的廢物形式之一，它主要以廢液(廢水)的形式存在。雖然高放廢物的體積不足核燃料循環所產生放射性廢物總體積的1%，但其所含放射性超過核燃料循環放射性總量的99%。放射性強、半衰期長、生物毒性大和釋熱率高的錒系核素是高放廢液的主要成分，而多數錒系核素本身不穩定，可衰變釋放出高能粒子生成次錒系核素。雖然生成的次錒系核素種類相對較少，但由于其具有很長的半衰期，并且大多數次錒系核素又是α輻射體，對人類與生態環境構成了較大的威脅，因此而成為核廢物處理與處置中需要重點考慮的關鍵核素。同時，高放廢物存在核素種類多、核素組分波動大等特點，這些對高放廢物玻璃固化或人造礦物(巖石、陶瓷)固化候選基材的包容性(固溶度高)、適應性(多核素、多組分)與長期安全穩定性(機械與化學、輻照穩定)提出了較高的要求。
在過去幾十年中，硼硅酸鹽等玻璃固化高放廢物雖然在工程上取得了較大的成功，但由于玻璃自身的缺陷(亞穩相)以及玻璃固化體在自然界中尚未發現包容放射性核素的類似礦物，無法對其穩定性進行天然類比研究，缺乏其長期輻照穩定性等佐證，因此對其長期穩定性產生了質疑。人造礦物被認為是第二代固化高放廢物的理想介質材料，是錒系核素固化處理較理想的介質材料。因此，尋找機械與化學長期穩定性好、抗輻照能力強、固溶量大、適應多核素的固化介質材料，成為近年來高放廢物處理處置研究的前沿和熱點之一。
本章對放射性廢物的特點、分類及來源，放射性廢物的管理原則及內容，高放廢物的處理策略及方法，高放廢物礦物固化基材的研究概況進行了簡要介紹。
1.1 放射性廢物簡介
1.1.1 放射性廢物的特點
放射性廢物為含有放射性核素或被放射性核素所污染，其放射性核素的濃度或活度大于審管機構確定的清潔解控水平，并且預期不再使用的物質。放射性廢物與其他有害物質或一般廢物不同，它的危害作用不能通過化學、物理或生物的方法消除，而只能通過自身衰變或核反應嬗變等方法來降低其放射性水平，后實現無害化。盡管放射性廢物有多種存在形式，但卻擁有一些共同的特點，如：
(1)含有放射性物質：它們的放射性不能用一般的物理、化學和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰變而減少。
(2)射線危害：放射性核素釋放出的射線通過物質時將會發生電離和激發作用，進而對生物體造成輻射損傷。
(3)熱能釋放：放射性核素通過衰變釋放出能量，當廢物中放射性核素含量較高時，這種能量的釋放會導致廢物的溫度不斷上升。
放射性廢物除擁有放射性、放射毒性和化學毒性等主要特點外，部分放射性廢物還具有發熱性、易燃性、易爆性和釋放有害氣體等特點。
1.放射性廢物中核素的組成
根據反應堆中放射性核素的生成方式，可將放射性廢物中的核素分為裂變產物、活化產物和錒系核素三類：裂變產物：是核燃料中的元素原子核受中子轟擊后而產生的裂變碎片。活化產物：由堆內的結構材料、冷卻劑或燃料包殼俘獲中子而產生。錒系核素：由鈾俘獲中子而產生。
2.放射性廢物的放射性
放射性廢物的放射性主要來自以下兩類核素：
(1)由反應堆中的裂變、俘獲、活化等反應生成的裂變產物、超鈾核素和放射性同位素而產生的放射性。該類核素的放射性活度約占核廢物總放射性活度的99％。
(2)鈾及其衰變子體的天然放射性。其活度相對較小，尤其當鈾經過純化、精制后，已將所含的釷、鐳(γ放射體)大量去除，核廢物的放射性活度將隨時間的推移而逐漸減小。
3.放射性廢物的放射毒性
當放射性物質進入人或動物體內，由于輻射生物效應而產生的毒害特性稱為放射毒性。它主要取決于放射性活度和射線輻射種類。根據我國國家標準《輻射防護規定》(GB8703—1988)的輻射防護規定，按照各種放射性核素的輻射種類和能量、物理化學性質、沉積的器官和部位、半衰期及在器官內停留的時間等因素，把它們分為：極高放射毒性核素、高放射毒性核素、中等放射毒性核素和低放射毒性核素四組，詳細分組信息見表1-1所示。
表1-1放射性核素毒性分組
放射性廢物與其他廢物及其他有毒、有害物質主要有兩大不同：一是放射性廢物中放射性的危害作用不能通過化學、物理或生物的方法來消除，而只能通過其自身固有的衰變規律降低其放射性水平，后達到無害化。通常，大約經過10個半衰期以后，其放射毒性水平可降至原有的1/1000；經過20個半衰期后，可降至原有的1/106。二是放射性廢物中的核素不斷地發出各種放射線，可通過各種靈敏的儀器對其進行探測，所以容易發現它的存在和判斷其危害程度，即可探測性。
1.1.2 放射性廢物的分類
為了對放射性廢物進行安全、經濟、科學的管理，以實現廢物的小化，必須對放射性廢物進行合理的分類。一個理想的放射性廢物分類體系應該符合以下幾個基本條件：
(1)滿足安全管理放射性廢物的要求，保護當代和后代健康，保護環境。
(2)符合國家法律和法規要求。
(3)不對廢物產生者和國家增加不適當的負擔。
(4)具有現實可行的技術基礎。
(5)適合有關部門的實施，具有可操作性。
(6)為公眾所接受。
(7)與國際放射性廢物分類體系相接軌。
目前，根據放射性廢物性質的不同，如物理和化學形態、放射性水平、半衰期、放射性廢物來源、輻射類型、處置方式、毒性、釋熱性等，都可以作為對放射性廢物進行分類的依據，部分分類情況如下所述。
1.按物理形態分類
根據物理狀態的不同，可將放射性廢物劃分為放射性固體廢物、放射性液體廢物和放射性氣載廢物三類，如表1-2所示。
表1-2按物理形態對放射性廢物的分類
根據廢物中的放射性濃度(或比活度)首先來確定是否屬于放射性廢物后，放射性固體廢物、放射性液體廢物和放射性氣載廢物可按放射性的濃度和水平劃分成不同的等級，具體如下：
(1)放射性固體廢物：對于放射性固體廢物首先按廢物中半衰期長的核素來進行劃分，然后再按照廢物的放射性比活度來區分等級。對于比活度小于或等于7.4104Bq/kg的廢物劃分為非放射性固體廢物，而大于7.4104Bq/kg時則劃分為放射性固體廢物(不包括放射性尾礦和污染廢物)，在放射性固體廢物這個分類體系下，按其所含壽命長的放射性核素的半衰期進行分級分類，詳見表1-3～表1-6所示。
表1-3放射性固體廢物的分級(壽命長核素T1/2≤60d)
表1-4放射性固體廢物的分級(壽命長核素60d 表1-5放射性固體廢物的分級(壽命長核素5a 表1-6放射性固體廢物的分級(壽命長核素30a (2)放射性液體廢物：當廢液的放射性濃度低于DIC公眾的劃分為非放射性液體廢物，其詳細分級如表1-7所示。 表1-7放射性液體廢物的分級 (3)放射性氣載廢物：包括放射性氣體、氣溶膠等。當放射性濃度小于或等于DAC公眾的劃分為非放射性氣載廢物，其詳細劃分等級如表1-8所示。 表1-8放射性氣載廢物的分級 2.按放射性水平分類 放射性物質的放射性水平可用比活度(固體廢物)和放射性濃度(氣載廢物、液體廢物)來表示，其物理意義為單位質量(固體)或單位體積(液體、氣體)物體的放射性活度，度量單位為Bq/kg、Bq/m3或Bq/L。按放射性水平不同，可將放射性廢物分為高放廢物(HLW)、中放廢物(ILW)和低放廢物(LLW)三大類。高放廢物是放射性核素的含量或濃度高、釋熱量大、操作和運輸過程中需要特殊屏蔽的放射性廢物。中放廢物是指放射性核素的含量或濃度及釋熱量雖然低于高放廢物，但在正常操作和運輸過程中需要采取屏蔽措施的放射性廢物。低放廢物是指放射性核素的含量或濃度較低，在正常操作和運輸過程中通常不需要屏蔽的放射性廢物，其詳細劃分如表1-9所示。 表1-9按放射性水平對放射性廢物的分類 3.按處置方式分類 放射性廢物按處置方式的不同可將其劃分為免管廢物、可清潔解控廢物、近地表處置廢物以及地質處置廢物，詳細分類見表1-10所示。 表1-10按處置方式對放射性廢物的分類 此外，放射性廢物按來源可將其劃分為核燃料循環廢物、核技術利用廢物、退役廢物、鈾(釷)伴生礦廢物等；按照半衰期分類可劃分為長壽命廢物、短壽命廢物等；按照輻射類型可分為β/γ放射性廢物、α廢物等；按照釋熱性可分為高發熱廢物、低發熱廢物、微發熱廢物等。還有按劑量率、同位素組分分類等諸多分類方法。 1.1.3 放射性廢物的來源 放射性廢物產生于核工業運行的各個環節(圖1-1)，其來源主要有地質勘探、鈾礦開采、選礦和礦石加工、鈾的精制、轉化、同位素分離和燃料元(組)件制造、核電廠和其他核反應堆的運行、核燃料后處理廠的運行、核設施的退役、放射性同位素的生產和應用等方面。若按放射性總活度計算，在核工業運行中所產生的放射性廢物，其99%來自核燃料后處理廠。 圖1-1核工業主要工藝體系示意圖 1.地質勘探、鈾礦開采、選礦和礦石加工 鈾是基本的核燃料，其化學性質比較活潑，它的氧化價態有+3、+4、+5和+6
