A study of the mechanical and thermophysical properties of crystal matrices for the immobilization of high-level wastes

Objectives. The aim of the study was to confirm the compliance of the mechanical and thermophysical properties of titanate-zirconate mineral-like matrices intended for immobilization of the rare-earth-actinide fraction of high-level waste (HLW) with pyrochlore structures (Nd₂ZrTiO₇) and orthorhombic titanate of rare earth elements (Nd₄Ti₉O₂₄+TiO₂) with the Russian requirements for the final forms of radioactive waste sent for disposal. With regard to fractionated radioactive waste, this type of matrix is preferable when compared with conservative aluminophosphate and borosilicate glasses. This is due to larger capacity, and a better level of chemical, thermal, and radiation resistance.

Methods. The synthesis of mineral-like matrices was carried out by remelting a granular precursor consisting of mineral-forming metal oxides and a solution imitating the rare earth-actinide fraction of HLW in an induction furnace with a cold crucible. The thermal diffusivity was determined by the laser flash method. The heat capacity of the matrix samples was measured by differential scanning calorimetry. Ultimate flexural and compressive strengths were determined using universal test machines. The elastic moduli (Young’s) were measured by the acoustic method. The temperature coefficients of linear expansion were determined using a high-temperature dilatometer.

Results. The ultimate strength of the matrices (Nd₂ZrTiO₇) and (Nd₄Ti₉O₂₄+TiO₂) was found to be 150–179 and 20.6–57.8 MPa in compression and bending respectively. Young’s moduli vary from 3.7 ∙ 10⁷ to 2.15 ∙ 10⁸ kN/m². With an increase in temperature from 50 to 500°C, the values of thermal conductivity have a pronounced tendency to decrease from 1.71 to 0.91 W/(m∙K). The temperature coefficients of linear expansion increase from 6.96 ∙ 10⁻⁶ to 1.01 ∙ 10⁻⁵ K⁻¹ in the same temperature range.

Conclusions. Comprehensive studies of titanate-zirconate mineral-like matrices show that their mechanical and thermal properties in certain cases significantly exceed the minimum requirements of regulatory documentation for the final forms of HLW.

1. Путилов А.В., Воробьев А.Г., Бугаенко М.В. Стратегия и практика обращения с радиоактивными отходами и их геологического захоронения. Горный журнал. 2015;10:6–10. https://doi.org/10.17580/gzh.2015.10.01

2. Гупало Т.А., Чистяков В.Н., Фещенко А.И., Суворова А.А., Шадрин А.Ю., Шмидт О.В. Кормилицын М.В., Осипенко А.Г. Технико-экономическое моделирование технологических схем подготовки высокоактивных отходов от переработки отработавшего ядерного топлива для окончательной изоляции. Вопросы радиационной безопасности. 2012;4(68):38–48.

3. Линге И.И., Уткин С.С., Кулагина Т.А., Трохов Н.Н. Подземная исследовательская лаборатория на участке «Енисейский» Нижнеканского массива Красноярского края. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2019;12(7):830–841.

4. Дорофеев А.Н., Большов Л.А., Линге И.И., Уткин С.С., Савельева Е.А. Стратегический мастер-план исследований в обоснование безопасности сооружения, эксплуатации и закрытия пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов. Радиоактивные отходы. 2017;1(1):34–43.

5. Кочкин Б.Т., Богатов С.А. Перспективы использования скважинной концепции для удаления РАО в России. Радиоактивные отходы. 2022;2(19):85–99. https://doi.org/10.25283/2587-9707-2022-2-85-99

6. Кудрявцев Е.Г. Хаперская А.В. Проблемы обращения с отработавшим ядерным топливом в России и перспективы их решения. Российский химический журнал. 2010;54(3):8–11.

7. Глаголенко Ю.В., Дзекун Е.Г., Дрожко Е.Г. Медведев Г.М., Ровный С.И., Суслов А.П. Стратегия обращения с радиоактивными отходами на производственном объединении «Маяк». Вопросы радиационной безопасности. 1996;2: 3–10.

8. Ожован М.И., Полуэктов П.П. Стекла для иммобилизации ядерных отходов. Природа. 2010;3(1135):3–11.

9. Алой А.С., Блохин А.И., Блохин П.А., Ковалев Н.В. Радиационные характеристики боросиликатного стекла, содержащего высокоактивные отходы. Радиоактивные отходы. 2020;3(12):93–100. https://doi.org/10.25283/2587-9707-2020-3-93-100

10. Алой А.С., Трофименко А.В., Кольцова Т.И., Никандрова М.В. Физико-химические характеристики остеклованных модельных ВАО ОДЦ ГХК. Радиоактивные отходы. 2018;4(5):67–75.

11. Логунов М.В., Ворошилов Ю.А., Бабаин В.А., Скобцов А.С. Опыт освоения, промышленной эксплуатации и оптимизации комплексной экстракционно-осадительной технологии фракционирования жидких высокоактивных отходов на ПО «МАЯК». Радиохимия. 2020;62(6):463–484. https://doi.org/10.31857/S0033831120060027

12. Тананаев И.Г., Мясоедов Б.Ф. Методы и подходы к технологическому выделению ценных радионуклидов из отработавшего ядерного топлива. Радиохимия. 2016;58(3):222–228.

13. Баторшин Г.Ш., Кириллов С.Н., Смирнов И.В., Сарычев Г.А. Тананаев И.Г., Фёдорова О.В., Мясоедов Б.Ф. Комплексное выделение ценных компонентов из техногенных радиоактивных отходов как вариант создания рентабельного ЗЯТЦ. Вопросы радиационной безопасности. 2015;3(79):30–36.

14. Salvatores M., Palmiotti G. Radioactive waste partitioning and transmutation within advanced fuel cycles: Achievements and challenges. Progress in Particle and Nuclear Physics. 2011;66(1):144–166. https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2010.10.001

15. Мамчич М.В., Голецкий Н.Д., Ткаченко Л.И., Визный А.Н., Наумов А.А., Белова Е.В., Пузиков Е.А. Зильберман Б.Я. Разработка и проверка схемы фракционирования ВАО с использованием экстрагента TODGA в «легком» разбавителе. Радиохимия. 2021;63(4):372–380. https://doi.org/10.31857/S0033831121040092

16. Wei Y.Z., Wang X.P., Liu R.Q., Wu Y., Usuda S., Arai T. An advanced partitioning process for key elements separation from high level liquid waste. Sci. China Chem. 2012;55:(9): 1726–1731. https://doi.org/10.1007/s11426-012-4697-4

17. Iqbal M., Waheed K., Rahat S.B., Lee T.M., Lee M.S. An overview of molecular extractants in room temperature ionic liquids and task specific ionic liquids for the partitioning of actinides/lanthanides. J. Radioanal. Nuclear Chem. 2020;325(1):1–31. https://doi.org/10.1007/s10967-020-07199-1

18. Nayak P.K., Kumaresan R, Venkatesan K.A., Antony M.P., Vasudeva Rao P.R. A New Method for Partitioning of Trivalent Actinides from High-Level Liquid Waste. Sep. Sci. Technol. 2013;48(9):1409–1416. https://doi.org/10.1080/01496395.2012.737401

19. Awwad N.S. Introductory Chapter: From the Cradle to the Grave for the Nuclear Fuel Cycle. In: Awwad N.S. (Ed.). Nuclear Power Plants – The Processes from the Cradle to the Grave. London: IntechOpen; 2021. 168 p. https://doi.org/10.5772/intechopen.87697

20. Богданов Р.В., Кузнецов Р.А., Епимахов В.Н., Олейник М.С., Епимахов Т.В. Способ иммобилизации стронций-цезиевой фракции высокоактивных отходов включением в геокерамические матрицы: Пат. RU 2561508C1. Заявка № 2014117398/07, заявл. 29.04.2014; опубл. 27.08.2015. Бюл. № 24.

21. Юдинцев С.В., Никольский М.С., Никонов Б.С., Мальковский В.И. Матрицы для изоляции актинидных отходов в глубоком скважинном хранилище. Доклады Академии наук. 2018;480(2):217–222. https://doi.org/10.7868/S0869565218140177

22. Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Каразанов К.О., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н. Исследование механических свойств и стойкости к термоудару мелкозернистой керамики YAG:ND/SIC. Неорганические материалы. 2022;58(2):209–214.

23. Юдинцев С.В. Изоляция фракционированных отходов ядерной энергетики. Радиохимия. 2021;63(5):403–430. https://doi.org/10.31857/S0033831121050014

24. Юдинцев С.В. Титанаты лантанидов – потенциальные матрицы для иммобилизации актинидных отходов. Доклады Академии наук. 2015;460(4):453–458. https://doi.org/10.7868/S0869565215040192

25. Баранов В.Г., Тенишев А.В., Лунёв А.В., Покровский С.А., Хлунов А.В. Высокотемпературные измерения температуропроводности реакторных материалов методом лазерной вспышки. Ядерная физика и инжиниринг. 2011;2(4): 291–302.

26. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Головин Д.Ю., Самодуров А.А. Определение коэффициента температуропроводности прозрачных материалов модифицированным методом лазерной вспышки. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2020;84(7):1004–1009. https://doi.org/10.31857/S036767652007011X

27. Межецкий Г.Д., Загребин Г.Г., Решетник Н.Н. Сопротивление материалов. 5-ое изд. М.: Дашков и К; 2016. 432 с.

28. Охотин А.С. Теплопроводность твердых тел. М.: Энергоатомиздат; 1984. 312 с.

29. Толкачева А.С., Павлова И.А. Общие вопросы технологии тонкой керамики. Екатеринбург: Изд-во УрФУ; 2018. 184 с.