улыбкина 20.10.2017

1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
КАЛИЙ-МАГНИЙ-ФОСФАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ЦЕЗИЯ
Е.А. Улыбкина, С.Ю. Саенко, В.А. Шкуропатенко,
Р.В. Тарасов, Е.П. Березняк, Ю.С.Ходырева, А.Е. Сурков
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики твёрдого тела, материаловедения и технологий

2. ЖИДКИЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ
Цель: Разработать метод инкорпорирования Cs в защитную матрицу
на основе калий-магниевого фосфата KMgPO4·6H2O
1
Общее количество жидких РАО в Украине 42,34
тыс. м3, из них на АЭС – 19,3 тыс. м3
Состав накопленных ЖРО на АЭС
Украины

3.  КМФ-материалы получают при комнатной температуре, атмосферном
давлении в ходе кислотно-щелочной реакции:
MgO + KH2PO4 + 5H2O = KMgPO4·6H2O;
 Реакция синтеза КМФ проходит в водной среде, поэтому ЖРО могут быть
отверждены при добавлении к ним компонентов КМФ;
 Возможность отверждения как кислотных, так и щелочных ЖРО в широком
диапазоне рН;
 Возможность включения в КМФ-матрицу как жидких, так и твердых РАО;
 Фосфаты нерастворимы в грунтовых водах, что предполагает, высокую
коррозионную стойкость КМФ-матрицы по отношению к выщелачиванию
радионуклидов;
 В случае отверждения ЖРО в КМФ-матрице нет необходимости в
термической обработке и поэтому риск загрязнения и облучения персонала
может быть сведен к минимуму (т.к. не происходит улетучивание
радионуклидов).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КМФ ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАО
2

4. Дифрактограмма полученного
калий-магниевого фосфата
KMgPO4·6H2O
СЭМ изображение
микроструктуры КМФ образцов
3
СИНТЕЗ КАЛИЙ-МАГНИЕВЫХ ФОСФАТОВ (КМФ)
Плотность полученных
образцов 1,7-1,8 г/см3

5. Дифрактограмма КМФ образца
(Т = 1200 °С, τ = 45 мин)
Дифференциально-термический
и термогравиметрический анализ
(ДТА/ТГ) КМФ образца
4
ТЕРМООБРАБОТКА КМФ
KMgPO4 ∙ 6H2O → KMgPO4 + 6H2O

6. Состав
Параметры решётки
а b c
KMgPO4 ∙ 6H2O 6,903 6,174 11,146
K1-xCsxMgPO4 ∙ 6H2O 7,646 6,8748 12,2575
Параметры решетки КМФ и КМФ + 10 вес. % CsCl
Дифрактограммы образцов КМФ
и КМФ+10%CsCl
5
ИММОБИЛИЗАЦИЯ ЦЕЗИЯ В КМФ

7. KMgPO4·6H2O
KMgPO4·6H2O+10 вес.% CsCl 6
ИК-СПЕКТРОМЕТРИЯ ФОСФАТНЫХ МАТРИЦ

8. РФА образца
КМФ +10 вес.% CsCl
(Т = 1200°С, τ = 1 ч)
Элементный анализ КМФ+10 вес.% CsCl после термообработки
7
ТЕРМООБРАБОТКА КМФ C ЦЕЗИЕМ
ДТА/ТГ CsCl
Температура /
время обработки
Содержание элементов, вес. %
K Mg P O Cs Cl Na Al Si Ca S
700 °C / 1 час 9.9 24.1 14.6 30.8 10.27 5.9 3.5 0.02 0.17 0.07 0.67
1200 °C / 1 час 7.15 25.5 21.1 32.3 10.3 0.03 2.43 0.36 0.12 0.12 0.59

9. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ КМФ С ЦЕЗИЕМ
8
Параметры КМФ+10%CsCl
K 1.99·10-4
Mg 4.96·10-6
P 3.32·10-5
Na 1.69·10-4
Cs 2.66·10-5
Скорости выщелачивания элементов, г/(см2•сут.)
Выщелачивание элементов
(K, Mg, P, Na,Cs) в зависимости от
времени.
Химическую устойчивость КМФ с цезием определяли в соответствии с тестом
ANS 16.1 (методика МАГАТЭ) путем долговременного выщелачивания в течение 90
суток полученных образцов матриц деионизованной водой при Т = 25°С

10. • Синтезирован калий магниевый фосфат KMgPO4·6H2O в результате кислотно-щелочной
реакции между MgO и KH2PO4 в воде в нормальных условиях (атмосферное давление,
комнатная температура). Изучена эволюция фазового состава калий магниевого
фосфата при нагреве до температуры 1200 °С.
• Добавление в ходе реакции хлорида цезия приводит к изменениям размеров
элементарной ячейки полученных фосфатов, что подтверждает частичное замещение
калия на цезий. КМФ при этом сохраняет ромбоэдрическую кристаллическую структуру.
• Анализ ИК-спектра поглощения КМФ образца показал, что с добавлением CsCl основные
полосы испытывают сдвиг в низкочастотную область, что говорит об усилении связей в
кристаллической решётке вещества.
• Полученная КМФ-матрица термостойкая и при этом Cs не попадает в окружающую среду
даже при нагревании до высоких температур.
• Показано, что скорость выщелачивания Cs из полученных материалов на уровне
10-5 г/(см2•сут.), что сравнимо со значениями для остеклованных ЖРО и значительно
ниже значений, характерных для цементных компаундов, традиционно используемых для
иммобилизации жидких РАО.
9
ВЫВОДЫ