俄罗斯科学家利用当地原料合成锆石 探索固定核废料新途径

核能作为世界多国重要电力来源，虽具有占地面积小、不使用化石碳、能产生稳定电力等优势，但核电站运行产生的长寿命锕系元素等危险放射性废物，必须在处置前安全固定。近日，俄罗斯科学家在利用当地原料合成锆石固定放射性废物方面取得新进展。

俄罗斯科学院科拉科学中心稀有元素与矿物原料化学技术研究所的科学家，利用科夫多尔采矿加工厂的斜锆石精矿和科拉采矿冶金厂的废渣，成功获得锆石，用于固定钚加工产生的放射性废物。相关研究论文发表于《化学工程理论基础》杂志，作者为耐火稀有元素原料化学与技术实验室研究员弗拉基米尔·维诺格拉多夫、化学技术工艺开发与实施实验室主任亚历山大·卡西科夫和硅酸盐材料技术系主任亚历山大·卡林金。

论文介绍了利用机械活化法合成锆固溶体的过程。起始原料包括从科夫多尔斯基有机化学公司斜锆石精矿中提取的二氧化锆，以及从科拉金属材料公司佩兴加尼克工厂废渣中用硫酸浸出分离的水合氧化硅，立方氧化铈由硝酸铈水溶液制备。这项工作兼具科学与应用价值，评估了利用合成锆石处理核电设施放射性废物的可能性，因锆石能将放射性废物掺入晶体基质并形成难溶相。

锆石类矿物稳定性极高，可富集锕系元素、镧系元素等稀有元素，其结构耐久性和强度由在各种地球化学条件下极低的溶解度证实。天然和合成锆石被广泛用于生产陶瓷材料，包括固定乏核燃料处理产生的放射性废物和过剩武器级钚的基质。

合成锆石方法多样，但普遍存在难题：在相对较低温度(约1200°C)下合成速度慢，1600°C以上则会发生逆反应——锆石分解为锆和硅的氧化物。KNC的科学家提出解决方案，通过在离心行星磨机中对初始产物进行初步机械活化，降低合成温度并缩短合成时间。混合物在实验室离心行星磨机中，使用钢制滚筒和钢球进行机械活化。

最终实验结果显示，将机械活化的试剂混合物在1100°C下煅烧3小时，锆石产率为75.3%;在1200°C下煅烧3小时，产率达100%。通过这种方式获得的锆石中铈积累量与先前方法相当甚至更高，且煅烧前无需对粉末预压制，温度可降低200 - 300°C，合成时间大幅缩短。

塔纳纳耶夫稀有元素与矿产资源化学与技术研究所的科学家提出，可利用科拉地区开采资源和当地采矿废料，获取锆石和以锆石为基础的含铈固溶体，作为固定放射性钚废料的模型。