核能作為世界多國重要電力來源，雖具有占地面積小、不使用化石碳、能產(chǎn)生穩(wěn)定電力等優(yōu)勢，但核電站運(yùn)行產(chǎn)生的長壽命錒系元素等危險(xiǎn)放射性廢物，必須在處置前安全固定。近日，俄羅斯科學(xué)家在利用當(dāng)?shù)卦虾铣射喪潭ǚ派湫詮U物方面取得新進(jìn)展。

俄羅斯科學(xué)院科拉科學(xué)中心稀有元素與礦物原料化學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家，利用科夫多爾采礦加工廠的斜鋯石精礦和科拉采礦冶金廠的廢渣，成功獲得鋯石，用于固定钚加工產(chǎn)生的放射性廢物。相關(guān)研究論文發(fā)表于《化學(xué)工程理論基礎(chǔ)》雜志，作者為耐火稀有元素原料化學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究員弗拉基米爾·維諾格拉多夫、化學(xué)技術(shù)工藝開發(fā)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)室主任亞歷山大·卡西科夫和硅酸鹽材料技術(shù)系主任亞歷山大·卡林金。

論文介紹了利用機(jī)械活化法合成鋯固溶體的過程。起始原料包括從科夫多爾斯基有機(jī)化學(xué)公司斜鋯石精礦中提取的二氧化鋯，以及從科拉金屬材料公司佩興加尼克工廠廢渣中用硫酸浸出分離的水合氧化硅，立方氧化鈰由硝酸鈰水溶液制備。這項(xiàng)工作兼具科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值，評(píng)估了利用合成鋯石處理核電設(shè)施放射性廢物的可能性，因鋯石能將放射性廢物摻入晶體基質(zhì)并形成難溶相。

鋯石類礦物穩(wěn)定性極高，可富集錒系元素、鑭系元素等稀有元素，其結(jié)構(gòu)耐久性和強(qiáng)度由在各種地球化學(xué)條件下極低的溶解度證實(shí)。天然和合成鋯石被廣泛用于生產(chǎn)陶瓷材料，包括固定乏核燃料處理產(chǎn)生的放射性廢物和過剩武器級(jí)钚的基質(zhì)。

合成鋯石方法多樣，但普遍存在難題：在相對(duì)較低溫度(約1200°C)下合成速度慢，1600°C以上則會(huì)發(fā)生逆反應(yīng)——鋯石分解為鋯和硅的氧化物。KNC的科學(xué)家提出解決方案，通過在離心行星磨機(jī)中對(duì)初始產(chǎn)物進(jìn)行初步機(jī)械活化，降低合成溫度并縮短合成時(shí)間。混合物在實(shí)驗(yàn)室離心行星磨機(jī)中，使用鋼制滾筒和鋼球進(jìn)行機(jī)械活化。

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將機(jī)械活化的試劑混合物在1100°C下煅燒3小時(shí)，鋯石產(chǎn)率為75.3%;在1200°C下煅燒3小時(shí)，產(chǎn)率達(dá)100%。通過這種方式獲得的鋯石中鈰積累量與先前方法相當(dāng)甚至更高，且煅燒前無需對(duì)粉末預(yù)壓制，溫度可降低200 - 300°C，合成時(shí)間大幅縮短。

塔納納耶夫稀有元素與礦產(chǎn)資源化學(xué)與技術(shù)研究所的科學(xué)家提出，可利用科拉地區(qū)開采資源和當(dāng)?shù)夭傻V廢料，獲取鋯石和以鋯石為基礎(chǔ)的含鈰固溶體，作為固定放射性钚廢料的模型。