1.4 Получение керамических материалов

Отсюда возникло стремление создать материалы типа природных минералов, которые бы более стабильны при захоронении в геологических формациях, чем стекла.

Концепция иммобилизации радиоактивных отходов в группу минеральных фаз заключается в использовании устойчивых в земной коре минералов. Большинство ранних исследований были посвящены минералоподобным матрицам, способным включить весь спектр компонентов ВАО, т.е. первоначально речь о фракционировании отходов не шла. Очевидно, что вряд ли возможно подобрать кристаллическую фазу, способную надёжно иммобилизовать все радионуклиды ВАО при величине загрузки, обеспечивающей рентабельность процесса отверждения. Проблема может быть решена только при использовании мультифазной керамики, каждая из фаз которой ответственна за иммобилизацию отдельной группы радионуклидов.

С 80-х годов прошлого века пристальное внимание уделяется включению высокоактивных отходов, содержащих трансурановые и редкоземельные элементы, в титанатную керамику, главным компонентом которой является TiO₂ с меньшими количествами других оксидов (обычно комбинация CaO, ZrO₂, Аl₂О₃ и ВаО). Широкое распространение получила высокостойкая мультифазная керамика, названная Синрок (Synroc - от англ. Synthetic Rock искусственный камень). Синрок был разработан А.Е. Рингвудом в Австралийском Национальном Университете и впервые описан в 1978 году. Этому материалу до сих пор уделяется большое внимание

К настоящему времени получено несколько разновидностей керамики SYNROCK.

Данная технология имеет большой ряд преимуществ, на основании которых можно судить о перспективах ее использования. Выщелачивание радионуклидов из Синрока происходит в среднем в 3000 раз медленнее, чем из боросиликатного стекла. Кроме того, для керамики характерна гораздо меньшая температурная зависимость скорости выщелачивания. Механические свойства керамики Синрок удовлетворяют необходимым требованиям. Так, предел прочности при сжатии составляет 810 МПа (для модификации С), а при изгибе - 64 МПа (для модификации B). Теплофизические характеристики материала также вполне приемлемы. Небольшое превышение коэффициента линейного расширения над значением, установленным ГОСТом Р 50926-96 компенсируется большей теплопроводностью, что приводит к снижению градиента температур и уменьшению механических напряжений в материале.

Радиационная устойчивость Синрока достаточно высока: различные эффекты (аморфизация, изменение микроструктуры) становятся заметными только при дозах, превышающих 10¹⁵-10¹⁶ -распадов/мг.

К достоинствам керамики Синрок можно отнести также её способность включать в свой состав до 50-65% отходов по массе, т.е. значительно больше, чем стекло.

Как известно, основной кристаллической фазой в составе керамики является цирконолит. Цирконолит представляет собой минерал природного происхождения, обладает хорошими изоморфными свойствами по отношению ко многим радиоактивным элементам, которые содержатся в отходах высокого уровня активности. Цирконолит имеет стехиометрическую формулу CaZrTi₂O₇.

Свойства цирконолита достаточно хорошо изучены. Полученные образцы цирконолита испытана на водоустойчивость в соответствии с ГОСТом Р 50926 – 26 путем измерения скорости выщелачивания в воду элементов, имитирующих радионуклидов. Исследования цирконолита позволили сделать вывод о пригодности использования керамики для фиксации трех- и четырехвалентных актиноидов (U(IV), Nd(III)).