Исследованы борофосфатные стекла с добавлением от 0,5 до 1,5 мол. % фторидов редкоземельных металлов (РЗМ) LnF3 (Ln = La, Ce, Nd), рассматриваемых в качестве имитаторов радиоактивных отходов от разрабатываемых жидкосолевых ядерных реакторов. В ходе синтеза образцов обнаружено, что даже при небольших добавках LnF3 (?1,25 мол. % LaF3 или NdF3, ?1,5 мол. % СeF3) происходит образование кристаллической фазы LnPO4, оседающей на дно тигля с расплавом, что сказывается на соотношениях номинального и фактического составов стекол. Образцы стекол, полученные из верхней – гомогенной – области расплава, демонстрируют аморфное строение и равномерное распределение элементов по объему. Температура их стеклования Tg составляет 430 °С и остается постоянной во всем диапазоне рассмотренных составов, однако при введении LnF3 повышается термическая стабильность и существенно изменяется характер процессов кристаллизации. При этом для образцов с СeF3 он отличается от такового для образцов с LaF3 или NdF3, что, по-видимому, связано с частичным переходом Ce3+ ? Ce4+. Анализ локальной структуры свидетельствует о наличии упорядочения в стекле на уровне 2–3-координационных сфер и о неизменности фосфатных группировок при введении LnF3. Одновременно с ростом содержания LnF3 обнаруживается повышение доли 6-координированных ионов алюминия, что связано с встраиванием в его окружение ионов фтора. Следовательно, в окружении ионов РЗМ происходит замещение анионов фтора на кислород, что и обусловливает появление Ce4+. По результатам испытаний химической и механической стабильности показано, что стекла удовлетворяют нормативным требованиям к матрицам для иммобилизации радиоактивных отходов и могут рассматриваться как перспективные матрицы для включения фторидов РЗМ.
Максим Игоревич Власов – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией высокотемпературной электрохимии актинидов и редкоземельных металлов, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия
Елизавета Дмитриевна Ведерникова – инженер лаборатории высокотемпературной электрохимии актинидов и редкоземельных металлов, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия
Николай Алексеевич Журавлев – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А. Л. Ивановского, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия
Татьяна Александровна Денисова – доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А. Л. Ивановского, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия
Дмитрий Михайлович Цымбаренко – кандидат химических наук, старший научный сотрудник, кафедра неорганической химии, Химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Дмитрий Юрьевич Сунцов – начальник отдела, Акционерное общество «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара», Москва, Россия
Александра Ивановна Тучкова – главный специалист, Акционерное общество «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара», Москва, Россия
Алина Алексеевна Трефилова – инженер-технолог 2-й категории, Акционерное общество «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара», Москва, Россия
1. Hyatt N. C., Ojovan M. I. Materials for nuclear waste immobilization // Materials. 2019. No. 21. P. 3611.
2. Chun K. S., Kim S. S., Kang C. H. Release of boron and cesium or uranium from simulated borosilicate waste glasses through a compacted Ca-bentonite layer // Journal of nuclear materials. 2001. No. 1–2. P. 150 – 154.
3. Stefanovsky S. V., Shiryaev A. A., Zubavitchus J. V., et al. Valence state and speciation of uranium ions in borosilicate glasses with a high iron and aluminum content // Glass Physics and Chemistry. 2009. No. 2. P. 141 – 148.
4. Stefanovsky S. V., Stefanovsky O. I., Danilov S. S., Kadyko M. I. Phosphate-based glasses and glass ceramics for immobilization of lanthanides and actinides // Ceramics International. 2019. V. 45, No. 7. P. 9331 – 9338.
5. Maslakov K. I., Teterin Yu. A., Stefanovsky S. V., et al. XPS study of neptunium and plutonium doped iron-bearing and iron-free sodium-aluminum-phosphate glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2018. V. 482. P. 23 – 29.
6. Stefanovsky S. V., Stefanovsky O. I., Myasoedov B. F., et al. The phase composition, structure, and hydrolytic durability of sodium-aluminum-(iron)-phosphate glassy materials doped with lanthanum, cerium, europium, and gadolinium oxides // Journal of Non-Crystalline Solids. 2017. V. 471. P. 421 – 428.
7. Stefanovsky S. V., Stefanovsky O. I., Kadyko M. I., et al. Sodium aluminum-iron phosphate glass-ceramics for immobilization of lanthanide oxide wastes from pyrochemical reprocessing of spent nuclear fuel // Journal of Nuclear Materials. 2018. V. 500. P. 153 – 165.
8. Veliscek-Carolan J. Separation of actinides from spent nuclear fuel: A review // Journal of hazardous materials. 2016. V. 318. P. 266 – 281.
9. Serp J., Allibert M., Benes O., et al. The molten salt reactor (MSR) in generation IV: overview and perspectives // Progress in Nuclear Energy. 2014. No. 77. P. 308 – 319.
10. Wu J., Chen J., Cai X., et al. A review of molten salt reactor multi-physics coupling models and development prospects // Energies. 2022. No. 15(21). P. 8296.
11. Magnusson J., Memmott M., Munro T. Review of thermophysical property methods applied to fueled and un-fueled molten salts // Annals of Nuclear Energy. 2020. V. 146. P. 107608.
12. Serrano-Lopez R., Fradera J., Cuesta-Lopez S. Molten salts database for energy applications // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2013. V. 73. P. 87 – 102.
13. Uhlir J. Chemistry and technology of molten salt reactors–history and perspectives // Journal of nuclear materials. 2007. V. 360, No. 1. P. 6 – 11.
14. Riley B. J., McFarlane J., DelCul G. D., et al. Molten salt reactor waste and effluent management strategies: a review // Nuclear Engineering and Design. 2019. No. 345. P. 94 – 109.
15. Mikheev N. B. Lower oxidation states of lanthanides and actinides // Inorganica Chimica Acta. 1984. V. 94, No. 5. P. 241 – 248.
16. Krauskopf K. B. Thorium and rare-earth metals as analogs for actinide elements // Chemical Geology. 1986. V. 55, No. 3–4. P. 323 – 335.
17. Ponomarev L. I., Seregin M. B., Mikhalichenko A. A., et al. Validation of actinide fluoride simulators for studying solubility in fuel salt of molten-salt reactors // Atomic Energy. 2012. V. 112, No. 6. P. 417 – 422.
18. Claire C., Oelkers E. H., Schott J., Lartigue J. E. An experimental study of the dissolution rates of Nd-britholite, an apatite-structured actinide-bearing waste storage host analogue // Journal of nuclear materials. 2006. V. 354, No. 1 – 3. P. 14 – 27.
19. Brow R. K., Osborne Z. A. XPS studies of fluorine bonding in phosphate glasses // Surface and Interface Analysis: An International Journal Devoted to the Development and Application of Techniques for the Analysis of Surfaces, Interfaces and thin Films. 1996. V. 24, No. 2. P. 91 – 94.
20. Santos L. F., Almeida R. M., Tikhomirov V. K., Jha A. Raman spectra and structure of fluoroaluminophosphate glasses // Journal of non-crystalline solids. 2001. V. 284, No. 1 – 3. P. 43 – 48.
21. Sun Y. P., Xia X. B., Qiao Y. B., et al. Properties of phosphate glass waste forms containing fluorides from a molten salt reactor // Nuclear Science and Techniques. 2016. V. 27. P. 63.
22. Vlasov M. I., Vedernikova E. D., Gadelshin V. M., et al. Effect of FLiNaK salt additive on the properties of borophosphate glasses // Glass and Ceramics. 2025. V. 82. P. 321 – 327.
23. Tsymbarenko D., Grebenyuk D., Burlakova M., Zobel M. Quick and robust PDF data acquisition using a laboratory single-crystal X-ray diffractometer for study of polynuclear lanthanide complexes in solid form and in solution // J. Appl. Crystallogr. 2022. V. 55, No. 4. P. 890 – 900.
24. Tsymbarenko D. FormagiX. 2D XRD Processing Software. URL: https://formagix.org/
25. Juhas P., Davis T., Farrow C. L., Billinge S. J. L. PDFgetX3: A rapid and highly automatable program for processing powder diffraction data into total scattering pair distribution functions // J. Appl. Crystallogr. 2013. V. 46, No. 2. P. 560 – 566.
26. Zakiryanov D. The impact of oxide impurity on the structure of FLiNaK and FLiNaK–CeF3 melts: A simulation study // Journal of Molecular Liquids. 2023. V. 384. P. 122265.
27. Fabian M., Pinakidou F., Tolnai I., et al. Lanthanide (Ce, Nd, Eu) environments and leaching behavior in borosilicate glasses //Scientific Reports. 2021. V. 11, No. 1. P. 13272.
28. Moncke D., Eckert H. Review on the structural analysis of fluoride-phosphate and fluoro-phosphate glasses // Journal of Non-Crystalline Solids: X. 2019. V. 3. P. 100026.
29. Zhang L., Brow R. K. A raman study of iron–phosphate crystalline compounds and glasses // Journal of the American Ceramic Society. 2011. V. 94. P. 3123 – 3130.
30. Belkebir A., Rocha J., Esculcas A. P., et al. Structural characterization of glassy phases in the system Na2O–Ga2O3–P2O5 by MAS and solution NMR and vibrational spectroscopy: II. Structure of the phosphate net-work // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2000. V. 56, No. 3. P. 435 – 446.
31. Zhang L., de Araujo C. C., Eckert H. Structural role of fluoride in aluminophosphate sol-gel glasses: high-resolution double-resonance NMR studies // The Journal of Physical Chemistry B. 2007. V. 111, No. 35. P. 10402 – 10412.
32. Eckert H., Rodrigues A. C. M. Ion-conducting glass-ceramics for energy-storage applications // MRS Bulletin. 2017. V. 42, No. 3. P. 206 – 212.
33. Balyakin I. A., Arslanov K. P., Vlasov M. I. Simulation of structure and dynamics of phosphate glasses with fluoride additives: A hybrid approach combining universal and specialized neural network potentials // Computational Materials Science. 2025. V. 258. P. 114065.
34. Закирьянов Д. О., Власов М. И. Структура и теплофизические свойства стеклообразующей системы Na2O–Al2O3–P2O5 // Расплавы. 2025. В. 3. С. 192 – 204.
35. Мусатов Н. Д., Кащеев В. А., Тучкова А. И. и др. Анализ возможных методов увеличения степени включения хлорсодержащих РАО в матричный материал // Вопросы атомной науки и техники. 2020. № 1(102). С. 66 – 75.
36. Vlasov M. I., Vedernikova E. D., Pershina S. V., et al. Lithium chloride influences the properties of borophosphate glass during the immobilization of radioactive waste generated from pyrochemical processing of spent nuclear fuel. Glass and Ceramics. 2025. V. 82. P. 1 – 10.
37. Banba T., Murakami T. The leaching behavior of a glass waste form – Part II: The leaching mechanisms // Nuclear technology. 1985. V. 70, No. 2. P. 243 – 248.
38. Ростехнадзор. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности (НП-019–15) // Нормы и правила в области использования атомной энергии. 2015. С. 1 – 22.
Статью можно приобрести
в электронном виде!
PDF формат
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2026.08.pp.003-016
Тип статьи:
Научная статья
Оформить заявку
