摘要以模擬北山地下水為浸泡劑，采用靜態浸出試驗法(MCC-1)，研究了溫度(40～150℃)對模擬高放廢液硼硅酸鹽玻璃固化體顯微結構和抗浸出性能的影響。結果表明：玻璃固化體浸泡42d后，在90℃及以上溫度出現了蜂窩狀的頁硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物，在150℃還新生成了白色板狀BaSO4晶體;Si、B、Cs和U元素的歸一化浸出率(LR)在28d后趨于平穩，且隨著溫度升高浸出率逐漸升高;基于B元素浸出速率的表觀活化能約為27.8kJ/mol;玻璃固化體在90℃模擬地下水浸泡28d后的-1-1-1-12LRSi、LRB、LRCs、LRU分別為1.45×10、1.39×10、2.48×10、1.3×10g/(m·d)。

　　關鍵詞　硼硅酸鹽玻璃;模擬地下水;溫度;顯微結構;抗浸出性能

　　0　引言

　　針對高放廢液安全處理與處置，當前國際上普遍接受的可行方案是將高放廢液玻璃固化后，置于由包裝容器、緩沖回填材料和圍巖等構成的多屏障系統中進行深地質處置[1-3]。硼硅酸鹽玻璃因其良好的抗輻照性能和化學穩定性等優點，是國內外固化高放廢液的首選基材[4]。

　　玻璃論文范例：中空玻璃在酒柜門體中的應用及其防凝露方法

　　目前，我國已建立了第一座玻璃固化工廠，不久的將來會產生一定數量的玻璃固化體，開展玻璃固化體的性能評價具有十分重要的意義。在深地質處置時，地下水是高放廢液固化體發生溶蝕最重要的因素[5]，因此抗浸出性能是評價固化體處置安全性最重要的指標之一。由于深地質處置環境地熱的影響，加之高放玻璃固化體自身產生的衰變熱，將對玻璃體的腐蝕和核素的浸出產生重要的影響[6]。盛嘉偉等[7]采用去離子水為浸泡劑，研究了溫度對玻璃固化體總失重的影響，并計算了玻璃與水反應的表觀活化能，但對玻璃固化體在不同溫度浸泡后的腐蝕產物及顯微結構未進行深入研究。

　　張華[8]對比研究了玻璃固化體在90℃和150℃、去離子水和模擬地下水條件下的浸出行為，結果表明溫度對玻璃固化體的浸出影響更明顯，且高溫會加速模擬地下水體系的腐蝕反應。值得注意的是，上述針對抗浸出性能研究的基礎玻璃配方均采用的是上世紀90年代中國原子能研究院自主研制的配方(90-19/U或CIAE-5)，與我國現階段開展玻璃固化冷調試工作所采用優化改進后的基礎玻璃配方有較大的差異[10]。其中，SiO2和B2O3含量分別降低了約6%和8%(質量分數)，MgO含量增加了約4%，并新引入了BaO約6%。目前，關于溫度對改進配方玻璃固化體在模擬地下水中浸泡后顯微結構和抗浸出性能的影響尚未見報道。本文采用模擬北山地下水為浸泡劑，主要研究不同溫度(40、70、90、120、150℃)對侵蝕后玻璃固化體的表面形貌與成分的影響，并評價玻璃固化體在不同溫度下的抗浸出性能。

　　1　實驗

　　1.1　儀器與試劑

　　TCF-8-16型陶瓷纖維高溫爐，上海和羽良電子科技有限公司;AL104型電子分析天平，上海國藥化學試劑有限公司;FS-1200型超聲波儀，上海生析超聲儀器有限公司;101-1EBS電熱恒溫鼓風干燥箱，北京市永光明醫療儀器廠;Ultra55型場發射掃描電子顯微鏡，德國蔡司公司;IC-881型離子色譜，瑞士萬通公司;AA700型原子吸收光譜儀，美國珀金埃爾默公司;Aiglent1200/7700x型等離子發射光譜質譜儀(ICP-MS)，美國安捷倫。

　　實驗室所用的化學試劑均為分析純，都是國藥集團北京化學試劑公司產品。去離子水由實驗室自制，其在25℃的電導率為18.25M·cm。模擬地下水是根據中國高放廢物處置庫甘肅北山預選區[11]BS03號鉆孔地下水離子成分配制的，其主要化學組成見表1。

　　1.2　固化體的制備

　　高放玻璃固化體中廢物包容量為16%(質量分數)，主要由基礎玻璃氧化物和模擬高放廢液氧化物組成。按選定的玻璃配方，稱取相應的試劑放入研缽中小心研碎、攪勻，放入坩堝中。在高溫爐中以5℃/min升溫到450℃，保溫2h。然后以3℃/min升溫到1050℃，保溫2h，將熔制好的玻璃液澆注到已預熱到500℃左右的10mm×10mm×10mm模具中，將澆注好的玻璃樣品在500℃退火處理2h，然后自然冷卻至室溫。再將玻璃樣品用拋光機拋光表面，并用去離子水超聲清洗3min，再用乙醇清洗3min，最后，將清洗干凈的玻璃樣品放入110℃烘箱烘干至恒重備用。

　　2　結果與討論

　　2.1　玻璃固化體在標準條件下的抗浸出性能

　　我國頒布的核行業標準EJ1186—2005《放射性廢物體和廢物包容特性鑒定》[13]，要求玻璃固化體在(90±1)℃去離子水中，靜態浸泡28d單位表面積總失重應小于125g/m，Na、B、Si、Cs和U元素歸一化浸出率應小于21g/(m·d)。為本文制備的模擬高放玻璃固化體在90℃去離子水中各元素的歸一化浸出率隨浸泡時間的變化情況。

　　2.2　溫度對玻璃固化體在模擬地下水條件下表面物相和顯微結構的影響

　　玻璃固化體在模擬地下水中不同溫度下浸泡42d的外觀，與原始固化體表面相比，40℃浸泡時固化體的外表面無明顯的腐蝕;70℃浸泡的固化體表面有一定程度的腐蝕，并出現了少量點狀沉積物;90℃時固化體表面開始出現較多的片狀物;隨著溫度的進一步升高，在120℃和150℃時，固化體表面逐漸被腐蝕產物覆蓋。

　　3　結論

　　(1)玻璃固化體浸泡42d后，40℃時與未浸泡樣品無顯著差異，在70℃出現了少量點狀腐蝕產物，在90℃及以上溫度出現了蜂窩狀的頁硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物，在150℃還新生成了白色板狀BaSO4晶體。(2)B、Si、Cs和U元素的歸一化浸出率隨著溫度升高而逐漸升高，隨著浸泡時間延長逐漸降低，并在28d后趨于平穩，基于B元素浸出速率的表觀活化能約為27.8kJ/mol。(3)玻璃固化體在90℃模擬地下水浸泡28d后的-1LRSi、LRB、LRCs、LRU分別為1.45×10、-1-1-121.39×10、2.48×10、1.3×10g/(m·d)。

　　參考文獻

　　[1]NeslihanY,AsalS,SevilayH,etal.Newsolidificationmaterialsinnuclearwastemanagement[J].InternationalJournalofEngineeringTechnologies,2016,2(2):76-82.

　　[2]LeeCW,ShinS,HeoJ.Evaluationofthermalstabilityindeepgeologicalrepositoryandnuclearcriticalitysafetyofspentnuclearfuelvitrifiedinironphosphateglass[J].AnnalsofNuclearEnergy,2020,136:107055.1-107055.6.

　　[3]王駒,凌輝,陳偉明.高放廢物地質處置庫安全特性研究[J].中國核電,2017,10(2):270-278.

　　作者：康澤　吳浪　張海洋　姚穎　王賓