A solid-state and X-ray spectroscopic study of transition-metal oxides: Developing materials for the sequestration of nuclear waste

过渡金属氧化物的固态和 X 射线光谱研究:开发用于封存核废料的材料

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2015-04156
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.55万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2019-01-01 至 2020-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

INTRODUCTION: Many governments are considering expanding their fleet of nuclear power plants because of environmental concerns and the dwindling supply of fossil fuels. However, nuclear reactors produce radioactive waste. The long-term objective of this research program is the development of materials that can sequester nuclear waste.******OBJECTIVE 1: EFFECT OF THE STRUCTURE ON THE RADIATION RESISTANCE OF OXIDES: Titanium-containing crystalline oxides have received considerable attention for the sequestration of actinides because of their high chemical durability. A negative aspect of using crystalline materials for this application is that the decay of radioactive elements can result in the material becoming amorphous. The ability of materials to resist being damaged by radiation can be related to the structure. The objective of this study is to investigate the structural characteristics of a series of metal oxides containing corner-, edge-, and/or face-sharing metal-O polyhedra to understand the influence of crystal chemistry on the structural stability of the material. A comparative study of brannerite-, pyrochlore-, zirconolite-, and columbite-type oxides will be performed. Materials will be synthesized by solid-state methods and implanted using a beam of high-energy ions, which is an accepted method of simulating the effect of radioactive decay on a material. All materials will be studied by X-ray diffraction (XRD) and synchrotron radiation-based spectroscopic techniques.******OBJECTIVE 2: DEVELOPING GLASS-CERAMIC COMPOSITES: Spent nuclear fuel pellets are composed of a variety of fission products. We propose that glass-ceramic composites offer unprecedented flexibility for the sequestration of fission products. The objective of this study is the synthesis of glass-ceramic composites containing pyrochlore-, brannerite, or zirconolite-type oxides surrounded by a borosilicate glass. Composites involving slag from steel production will also be investigated. ******OBJECTIVE 3: THE INFLUENCE OF SYNTHETIC METHOD ON SITE DISORDER: Low-temperature synthesis methods are more economical to produce nuclear waste sequestration materials on the industrial scale compared to high-temperature methods. Site disorder within a structure may impact the resistance of the material to radiation-induced damage. The objective of this study is to determine how the synthetic method affects the metal site-disorder in zirconolite-, pyrochlore-, and perovskite- type oxides. ******SIGNIFICANCE: It is important to investigate various strategies to handle nuclear waste if we are to increase our reliance on nuclear power. This research program will be unique in that we will study how the resistance of materials to radiation damage changes depending on crystal structure, composition, and synthetic method. This program will also train students in solid-state chemistry and X-ray spectroscopy.
简介:由于环境问题和化石燃料供应的减少,许多政府正在考虑扩大核电站的规模。然而,核反应堆产生放射性废物。这项研究计划的长期目标是开发能够隔离核废料的材料。目标1:结构对氧化物抗辐射性的影响:含钛晶体氧化物由于其高化学耐久性而在锕系元素的螯合方面受到了相当大的关注。使用晶体材料用于此应用的负面方面是放射性元素的衰变可导致材料变成非晶的。材料抵抗辐射损伤的能力可能与结构有关。本研究的目的是调查一系列的金属氧化物的结构特征,包含角,边,和/或面共享金属-O多面体,以了解晶体化学对材料的结构稳定性的影响。将进行褐帘石型、烧绿石型、锆英石型和铌铁矿型氧化物的比较研究。材料将通过固态方法合成,并使用高能离子束注入,这是模拟放射性衰变对材料影响的公认方法。所有材料都将通过X射线衍射(XRD)和同步辐射光谱技术进行研究。**目标2:微晶玻璃复合材料:乏核燃料芯块由各种裂变产物组成。我们建议,玻璃陶瓷复合材料提供了前所未有的灵活性裂变产物的封存。本研究的目的是合成的玻璃陶瓷复合材料含有烧绿石,brannerite,或锆英石型氧化物包围的硼硅酸盐玻璃。还将研究涉及钢铁生产炉渣的复合材料。** 目标3:低温合成方法对现场无序的影响:与高温方法相比,低温合成方法在工业规模上生产核废料封存材料方面更经济。结构内的位置无序可能影响材料对辐射引起的损害的抵抗力。本研究的目的是确定合成方法如何影响锆英石型、烧绿石型和钙钛矿型氧化物中的金属位无序。** 重要性:如果我们要增加对核能的依赖,研究处理核废料的各种战略是很重要的。该研究项目的独特之处在于,我们将研究材料对辐射损伤的抵抗力如何根据晶体结构,成分和合成方法而变化。该计划还将培养学生在固态化学和X射线光谱学。

项目成果

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