X에 의해 지르코놀라이트의 중성자 흡수 첨가제로서 인듐의 사용을 뒷받침

Oct 15, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9329(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

인듐(In)은 지르코놀라이트(명목적으로 CaZrTi2O7)가 후보 호스트 상인 고정된 형태로 Pu를 함유한 세라믹 폐기물의 임계성을 완화하는 데 가능성 있게 사용될 수 있는 중성자 흡수 첨가제입니다. 여기서는 고용체 Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7(0.10 ≤ x ≤ 1.00; 공기 합성)과 Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7(x = 0.05, 0.10; 공기 및 아르곤 합성)을 1350 ℃ 온도에서 기존의 고체 소결법으로 조사하였다. Ca2+, Zr4+ 및 Ti4+ 부위 전반에 걸쳐 지르코놀라이트 단계에서 In3+ 치환 거동을 특성화하기 위해 20시간 동안 °C를 유지했습니다. Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7을 표적으로 삼을 때 단상 지르코놀라이트-2M은 In 농도 0.10 ≤ x ≤ 0.20에서 형성되었습니다. x ≥ 0.20을 초과하면 다수의 2차 In 함유 상이 안정화되었습니다. 지르코놀라이트-2M은 x ≥ 0.40을 넘어서는 상대적으로 낮은 농도에도 불구하고 x = 0.80의 농도까지 상 조립의 구성 요소로 남아 있었습니다. 고체 경로를 사용하여 In2Ti2O7 최종 구성원 화합물을 합성하는 것은 불가능했습니다. 단일상 지르코놀라이트-2M 화합물의 In K-edge XANES 스펙트럼 분석을 통해 In 목록이 목표 산화 상태와 일치하는 3가 In3+로 분류되었음을 확인했습니다. 그러나 지르코놀라이트-2M 구조 모델을 사용하여 EXAFS 영역을 피팅하는 것은 표적 대체 방식과 달리 Ti4+ 사이트 내에 수용된 In3+ 양이온과 일치했습니다. Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7 고용체에서 U를 고정화된 Pu의 대체물로 배치할 때 x = 0.05 및 0.10 모두에 대해 U가 주로 U4+와 0.10으로 분포될 때 In3+가 지르코놀라이트-2M을 성공적으로 안정화할 수 있음이 입증되었습니다. U L3-edge XANES 분석에 의해 결정된 평균 U5+는 각각 아르곤 및 공기 하에서 합성되었을 때입니다.

지르코놀라이트(이상적으로는 단사정계 CaZrTi2O7, 공간 그룹 C2/c, Z = 8)는 U 및 Pu1,2,3,4와 같은 사용후 핵연료(SNF)의 재처리에서 발생하는 악티늄화물의 고정화를 위한 후보 폐기물 형태 물질입니다. 영국의 분리된 Pu 재고량은 2022년 7월에 종료되는 진행 중인 재처리 캠페인이 완료되면 약 140teHM(중금속 환산 톤)에 도달할 것으로 예상됩니다. 현재 영국 정책은 재사용을 선호합니다. 이 목적에 적합하지 않은 재료는 손이 닿지 않는 곳에 고정해야 합니다5. 이 정책을 실행할 수 없는 경우 재고를 고정하고 폐기하는 기술이 필요합니다6. 현재 기술적으로 가장 실현 가능한 고정화 경로는 벌크 재고를 지질학적 처분에 앞서 기존의 냉간 압착 소결(CPS) 또는 열간 등압 압착(HIP)을 통해 생산된 고체 세라믹 단일체로 전환하는 것입니다. 처분시설(GDF)7,8.

높은 핵분열성 함량을 함유한 폐기물은 임계 사건 발생 가능성을 완화하기 위해 적절한 양의 중성자 흡수 첨가제를 통합하는 것이 바람직할 수 있습니다9,10. 폐기물 형태 내 중성자 흡수체의 역할은 흡수를 통해 내부 중성자 플럭스를 감소시켜 임계 사건의 확률을 완화시키는 것입니다. 따라서, 악티나이드 부분과 호스트 물질 사이의 잠재적인 고용체 체계가 고안되고 특성화되는 폐기물 형태 개발 및 구성 범위 지정 과정에서 충분한 농도의 중성자 흡수제가 함께 수용될 수 있도록 보장하는 것이 바람직합니다. 현재 지르코놀라이트에 대한 다양한 첨가제와 각각의 통합 메커니즘이 고안되었으며 주로 Gd3+ 및/또는 Hf4+2,11,12,13,14,15를 사용합니다. Gd3+는 일반적으로 Ca2+ 및/또는 Zr4+ 사이트 위에 수용되지만 일반적으로 Ti4+를 대체하는 전하 균형 종(예: Ca1-xZr1-xGd2xTi2O7 또는 Ca1-xGdxZrTi2-xAlxO7)을 통한 전하 균형이 필요하지만 Hf4+는 다음을 기준으로 Zr4+를 직접 대체할 수 있습니다. 거의 동일한 이온 반경(7배 배위에서 각각 0.78 및 0.76 Å)으로 인해 단위 셀 부피에 매우 작은 변화가 발생합니다. 그러나 Sm, Dy, Cd, B 및 In과 같이 중성자 독으로 제안된 상대적으로 조사되지 않은 다양한 첨가제가 있습니다. 현재 지르코놀라이트 및 관련 티타네이트 상 내에서 In, Cd 또는 B 치환에 대해 보고된 데이터는 거의 또는 전혀 없습니다.