Đây là tính chất hóa học quan trọng của synroc khi đã nạp thải. Độ hòa tách đại diện cho độ ổn định hóa học của sản phẩm, thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng lƣu giữ các đồng vị trong thải dƣới các điều kiện xâm nhập của môi trƣờng, ngay cả khi đó là điều điện môi trƣờng địa hóa học khi chôn cất viên gốm synroc trong tầng địa chất sâu.
Mẫu synroc nạp 7 % strontri (mẫu Mt2) đƣợc lựa chọn cho nghiên cứu này và đƣợc tiến hành ngâm chiết trong nƣớc cất với thời gian là 4 ngày, 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày. Các cation hòa tách trong mẫu nƣớc đƣợc phân tích ứng với từng thời điểm đó.
68
Các kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày trong bảng 3.8
Bảng 3.8. Kết quả xác định tốc độ hòa tách của mẫu Sr/synroc
R (g/m2.d)
4 ngày 7 ngày 14 ngày 28 ngày Sr 12,10 x 10-5 7,21 x 10-5 2,56x10-5 2,12x10-5 Ti 17,9 x 10-6 12,76 x 10-6 8,75 x 10-6 4,84 x 10-6
Từ các kết quả về độ hòa tách của Sr và Ti ta dựng đƣợc đồ thị biểu diễn sự hòa tách Sr và Ti ra khỏi mạng synroc theo thời gian nhƣ sau
Đồ thị biểu diễn tốc độ hòa tách theo thời gian 0 5 10 15 20 0 10 20 30
Thời gian (ngày)
R (g /c m 2. d) Sr Ti
Hình 3.31. Đồ thị biểu diễn độ hòa tách của Sr và Ti theo thời gian.
- Đƣờng Sr: thang Oy R x 10-5 - Đƣờng Ti: thang Oy R x 10-6
Từ các kết quả thực nghiệm có thể thấy tốc độ hòa tách của strontri ra khỏi mạng synroc rất nhỏ, tốc độ hòa tách giảm khi tăng thời gian hòa tách. Điều này cũng thể hiện sự đồng nhất của Sr trong cấu trúc perovskit thông qua sự hình thành các dung dịch rắn đồng nhất. Tốc độ hòa tách nhỏ đã thể hiện đƣợc tính chất cơ lý, độ ổn định hóa học, khả năng lƣu giữ của vật liệu synroc khi điều kiện hóa chất thải phóng xạ có chứa strontri.
Có thể giải thích tốc độ hòa tách rất nhỏ của vật liệu synoc sau khi nạp Sr dựa trên kết quả chụp hình ảnh SEM với mẫu Mt2 nhƣ sau:
69
Hình 3.32. Ảnh SEM của mẫu Mt2 sử dụng cho thí nghiệm hòa tách.
Ảnh SEM cho thấy sự đồng nhất của viên gốm Mt2 (gần nhƣ toàn bộ các lỗ xốp có kích thƣớc <1µm). Ý nghĩa của sự đồng nhất ở đây đƣợc thể hiện nhƣ sau:
- Góc thấm ƣớt nhỏ (các mặt biên liên kết giữa các hạt đều ƣớt) năng lƣợng bề mặt tiếp xúc giữa hạt – chất lỏng nhỏ làm giảm thiểu sự xâm nhập của dòng chất lỏng và sự vận chuyển vật chất theo dòng chất lỏng.
- Sự chênh lệch về hóa thế µ dọc theo mặt biên của hạt không lớn làm hạn chế sự vận chuyển vật chất theo kiểu khuếch tán và các phản ứng bề mặt nội tại. Nhƣ ta đã biết hóa thế cân bằng của chất rắn hòa tan trong chất lỏng tiếp giáp với bề mặt vật rắn đƣợc mô tả bởi công thức:
µ = f +P.V + cγ/R Trong đó: f: thế Helmholtz của vật rắn P: áp suất trong vật rắn V: Thể tích mol của vật rắn c: hằng số vật liệu γ: năng lƣợng bề mặt tiếp xúc rắn – lỏng R: độ cong cục bộ của mặt tiếp xúc
70
Mặt biên giới giữa các hạt phải truyền tải các ứng suất từ hạt đến hạt. Nhƣ vậy có thể coi P=n (n: tổng các ứng suất theo các phương) và do vậy hóa thế có giá trị lớn hơn ứng suất nén theo phương thẳng đứng (n=1) và ứng suất theo phƣơng ngang (n=3). Bỏ qua giá trị năng lƣợng bề mặt tiếp xúc, sự chênh lệch hóa thế µ để có thể dẫn đến sự vận chuyển vật chất phải thỏa mãn:
= f+1V-f-3V = V (=1-3)
Nhƣ vậy, sự đồng nhất về mật độ cấu trúc của synroc dẫn tới sự tác động qua lại giữa các hạt trong mạng là không chênh lệch nhiều và điều này có ý nghĩa là mỗi hạt chịu một ứng suất theo phƣơng thẳng đứng và theo phƣơng nganh không quá khác xa dẫn tới giá trị nhỏ kéo theo sự biến thiên về hóa thế không lớn để có thể gây ra sự vận chuyển vật chất theo dòng chất lỏng theo kiểu khuếch tán.
Rõ ràng độ hòa tách cũng nhƣ độ bền hóa học là đặc tính rất quan trọng khi đánh giá vật liệu cho quá trình chôn cất thải lâu dài, thể hiện sự ổn định, độ bền cơ lý trƣớc các tác nhân xâm thực của môi trƣờng địa hóa ở đó có thể gây tái phát tán các nhân phóng xạ từ khối vật liệu ổn định hóa ra ngoài môi trƣờng.
Từ các kết quả thu đƣợc, chúng tôi đề xuất sơ đồ tổng hợp vật liệu synroc để ổn định hóa chất thải phóng xạ nhƣ sau:
71
Sơ đồ tổng hợp vật liệu synroc (Sr - mô phỏng):
Hình 3.33. Sơ đồ tổng hợp vật liệu synroc để ổn định hóa
chất thải phóng xạ Chất thải phóng xạ (Sr- mô phỏng) Tính toán chuẩn bị phối liệu Nguyên liệu synroc
(CaO-TiO2– ZrO2- Al2O3- BaO) Chế tạo bột synroc PVA (3% w) Ép nguội (p = 2,5-3t/cm2) Nung thiêu kết (vt=20oC/ph, ttk=1250 oC, 2h) Synroc Kiểm tra chất lƣợng sản phẩm Lƣu giữ
72
KẾT LUẬN
Qua thời gian thực hiện, các kết quả của luận văn đạt đƣợc nhƣ sau:
1. Đã tiến hành khảo sát đƣa ra tỉ lệ về thành phần trong hệ CaO – TiO2 – ZrO2
trong sự hình thành perovskit, zirconolite của các oxit là mẫu M3 là (CaO – TiO2 – ZrO2: 25% - 65% - 10% mol tƣơng ứng) để đi đến tổng hợp pha synroc hoàn chỉnh
2. Đã xác định đƣợc sự hình thành các pha trong synroc. Tỉ lệ thích hợp về thành phần các oxit trong các pha perovskit, zirconolite và hollandite của synroc mẫu Fm2 là (75 % M3 (CaO – TiO2 – ZrO2: 25% - 65% - 10% mol) – 15 % Al2O3 – 10% BaO)
3. Các kết quả khảo sát về quá trình nạp đồng vị bền strontri cho thấy sự tƣơng thích của strontri trong cấu trúc mạng synroc (trong mạng perovskit) với tải nạp có thể lên tới 7%.
4. Đã xác định đƣợc giá trị hòa tách của Sr, Ti là 10-5 và 10-6 g/m2.d, kết quả cho thấy độ hòa tách giảm theo thời gian với nồng độ tách rất nhỏ.
73
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, NXB ĐHQG Hà Nội.
2. Nguyễn Đăng Hùng (2006), Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa, NXB Bách khoa, Hà Nội.
3. Đỗ Quý Sơn (2006), Bài giảng chuyên đề: Nhiên liệu và chất thải nhà máy điện hạt nhân, Viện Công nghệ xạ hiếm, Hà Nội.
4. Phan Văn Tƣờng (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học quốc gia Hà Nội.
5. Phạm Xuân Yên, Huỳnh Đức Minh, Nguyễn Thu Thủy (1995), Kỹ thuật sản xuất gốm sứ, NXB Khoa học kỹ thuật.
Tiếng Anh
6. Batchelor B (2006), “Overview of waste stabilization with cement”, Waste Management, 26, pp. 689–698.
7. Coughanour L. W, Roth R. S, Marzullo S and Sennett F. E, Res J (1955), Nat, Bur. Stand, 54, pp. 191 -199.
8. Donald I.W, Metcalfe B.L, Taylor R.N.J (1997) “The immobilization of high
level radioactive wastes using ceramics and glasses”, Journal of materials science, 32, pp. 5851–5887.
9. Donchev I, Dipchikov F, Petrov O, Zidarov N, Tarsov M (2002), “Synthesis of artifical rocks (synrock type)”, GEOLOGIE.
10. Hart K. P, Vance E. R, Day R. A, Begg B. D, and Angel P. J, “Immobilization of Separated Tc and Cs/Sr in Synroc”, Scien. Basis for Nuclear Waste Management, XIX.
11. IAEA Technical Reports, Bituminization Processes to Condition Radioactive Wastes, Series 352.
74
12. IAEA Safety Standards, Classification of Radioactive Waste – General Safety Guide, No. GSG – 1.
13. IAEA Nuclear Energy Series, Policies and Strategies for Radioactive Waste
Management, No. NW-G-1.1.
14. Lee W. E, Ojovan M. I, Stennett M. C, Hyatt N. C (2006), “Immobilisation of radioactive waste in glasses, glass composite materials and ceramics”, Advances in Applied Ceramics, Vol 105, No. 1.
15. Markus Winterer, Hand Book of Nanocrystalline Ceramics, synthesis and structure, Springer Sieries in Material Science.
16. McHale J. M, Coppa N. V, “Instantaneous Formation of Synroc-B Phases at Ambient Pressure”, Scientific Basis for Nuclear Waste Management, XIX, eds. 17. Munz D, Fett T, Hand book of Ceramics, Mechanical Properties, Failure
Behaviour, Materials selection.
18. Pena M. A. and Fieno J. I.G. (2001), “ Chemical structure and performance of perovskite oxides”, Chemical Reviews, Vol.101, No.7.
19. Potdara H.S, Vijayanand S, Khaja Mohaideen K, Patil K.R, Joya P.A, Raja Madhavan R, Kutty K.V.G, Ambashta R.D, Wattal P.K (2010), “A simple chemical co-precipitation/calcination route for the synthesis of simulated synroc-B and synroc-C powders”, DOI: 10.1016/j.matchemphys, 2010.05.039. 20. Ryerson F.J, Durham W. B, Hoenig C.L, Tewhey J. D, “The application of
synroc to high level U.S. defense wastes”, Lawrence Livermore Laboratory. 21. Ringwood A. E, Kesson S. E, Reeve K. D, Levins D. M. and Ramm E. J (1988),
“Radioactive Waste Forms for the Future”, edited by Lutze. W and Ewing R.C,
Science Publishers, New York, pp. 233-334.
22. Rossell H. J (1992), Solid State Chem, 99, pp. 38-51.
23. Ruizhu Zhang et al (2010), “ Immobilization of radioactive wastes into CaTiO3
Synroc by the SHS Method”, Advanced Materials Research, Vol 152-153, pp. 315-319.
75
24. Sobolev I. A, Dmitriev S. A, Lifanov F. A, Kobelev A. P, Stefanovsky S. V. and Ojovan M. I (2005), “Glass Technol”, Vol 46, pp. 28-35.
25. Vance E. R (2002), “Synroc Ceramics for Nuclear Waste Immobilization”,