Sustentando o uso de índio como um aditivo de absorção de nêutrons em zircônio por X

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9329 (2023) Citar este artigo

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O índio (In) é um aditivo absorvedor de nêutrons que poderia ser usado para mitigar a criticidade em resíduos cerâmicos contendo Pu na forma imobilizada, para o qual a zirconolita (nominalmente CaZrTi2O7) é uma fase hospedeira candidata. Aqui, as soluções sólidas Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7 (0,10 ≤ x ≤ 1,00; síntese de ar) e Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7 (x = 0,05, 0,10; síntese de ar e argônio) foram investigadas por sinterização convencional em estado sólido a uma temperatura de 1350 °C mantida por 20 h, com o objetivo de caracterizar o comportamento de substituição do In3+ na fase zirconolita nos sítios Ca2+, Zr4+ e Ti4+. Ao direcionar Ca1-xZr1-xIn2xTi2O7, o zirconolite-2M de fase única foi formado em concentrações de In de 0,10 ≤ x ≤ 0,20; além de x ≥ 0,20, várias fases secundárias contendo In foram estabilizadas. Zirconolite-2M permaneceu um constituinte do conjunto de fases até uma concentração de x = 0,80, embora em concentração relativamente baixa além de x ≥ 0,40. Não foi possível sintetizar o composto do membro final In2Ti2O7 usando uma rota de estado sólido. A análise dos espectros In K-edge XANES nos compostos de zirconolita-2M de fase única confirmou que o inventário In foi especiado como In3+ trivalente, consistente com o estado de oxidação alvo. No entanto, o ajuste da região EXAFS usando o modelo estrutural de zirconolita-2M foi consistente com os cátions In3+ acomodados no sítio Ti4+, ao contrário do esquema de substituição direcionado. Ao implantar U como um substituto para Pu imobilizado na solução sólida Ca1-xUxZrTi2-2xIn2xO7, foi demonstrado que, para x = 0,05 e 0,10, In3+ foi capaz de estabilizar zirconolite-2M com sucesso quando U foi distribuído predominantemente como U4+ e U5+ médio, quando sintetizado sob argônio e ar, respectivamente, determinado por análise U L3-edge XANES.

A zirconolita (idealmente monoclínica CaZrTi2O7; grupo espacial C2/c; Z = 8) é um candidato a material residual para a imobilização de actinídeos provenientes do reprocessamento de combustível nuclear irradiado (SNF), como U e Pu1,2,3,4. Prevê-se que o estoque de Pu separado do Reino Unido atinja aproximadamente 140 teHM (toneladas equivalentes de metal pesado) após a conclusão da campanha de reprocessamento em andamento, que terminou em julho de 2022. Atualmente, a política do Reino Unido favorece a reutilização; material não adequado para esse fim deve ser imobilizado em local fora de alcance5. Caso essa política não se mostre implementável, seria necessária a tecnologia para imobilizar e descartar o estoque6. Atualmente, a via de imobilização tecnicamente mais viável seria a conversão do estoque a granel em monólitos cerâmicos sólidos, produzidos por uma campanha de sinterização convencional a frio (CPS) ou prensagem isostática a quente (HIP), antes do descarte em um geológico instalação de eliminação (GDF)7,8.

Pode ser desejável que formas residuais contendo alto teor físsil incorporem uma quantidade adequada de aditivos absorvedores de nêutrons para mitigar o potencial de ocorrência de um evento de criticidade9,10. O papel do absorvedor de nêutrons dentro da forma residual é garantir que a probabilidade de um evento de criticidade seja mitigada pela redução do fluxo interno de nêutrons por meio da absorção. Consequentemente, durante o desenvolvimento de formas residuais e trilhas de escopo de composição, durante as quais regimes de soluções sólidas potenciais entre a porção de actinídeo e o material hospedeiro são planejados e caracterizados, é desejável garantir que concentrações suficientes de absorvedores de nêutrons possam ser co-acomodadas. Atualmente, vários desses aditivos e seus respectivos mecanismos de incorporação à zircônia foram desenvolvidos, principalmente empregando Gd3+ e/ou Hf4+2,11,12,13,14,15. Embora o Gd3+ seja normalmente acomodado nos locais de Ca2+ e/ou Zr4+, exigindo equilíbrio de carga por meio de uma espécie de balanceamento de carga normalmente substituída por Ti4+, por exemplo, Ca1-xZr1-xGd2xTi2O7 ou Ca1-xGdxZrTi2-xAlxO7, Hf4+ pode ser substituído diretamente por Zr4+ com base em raios iônicos quase idênticos (0,78 e 0,76 Å em coordenação sétupla, respectivamente), resultando em uma variação muito pequena no volume da célula unitária16. No entanto, há uma variedade de aditivos relativamente não investigados que foram propostos como venenos de nêutrons, como Sm, Dy, Cd, B e In. No momento, há poucos ou nenhum dado relatado de substituição de In, Cd ou B dentro do zirconolite e fases de titanato relacionadas.