Hafniyum katkılı demir borofosfat camlarının yapısı ve özellikleri

Abstract

Yüksek kimyasal dayanıklılık, düşük erime sıcaklığı ve yüksek atık içerebilme kapasitesi gibi özelliklerinden dolayı demir fosfat camları bazı nükleer atıkların camlaştırılmasında yoğun olarak incelenmektedir. Bu çalışmada, demir borofosfat camlarının Pu içeren radyoaktif atıkları için uygun ev sahibi yapılar olup olmayacakları araştırıldı. Plütonyum ile doğrudan çalışmak zor olduğundan ona iyonik yarıçap ve valans değeri bakımından benzerlik gösteren Hf elementi kullanılarak araştırmalar gerçekleştirildi. İki seri halinde bileşimler hazırlanarak HfO2 eklenmesinin demir borofosfat camlarının yapısı ve özellikleri üzerindeki etkileri incelendi. Birinci seride Hf ve B sadece demirin yerine eklenirken [xHfO2-yB2O3-((40-(x+y))Fe2O3-60P2O5, x=0,2,4,6,8; y=0,2,4,6,8] ikinci seride ise hem demir hem de fosforun yerine eklendi [xHfO2-yB2O3-(100-(x+y))[40Fe2O3-60P2O5] x=2,4,6; y=2,4,6]. Camlar alümina krözelerde, hava ortamında 1200-1300 ºC sıcaklık aralığında eritilerek çelik kaplara dökülerek hazırlandı. Elde edilen örneklerin yapıları X-ışını kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Diferansiyel Termal Analiz (DTA) ve Infrared Spektroskopisi (IR) ölçümleri ile incelendi. Bileşimdeki HfO2 miktarı %2 mol un üzerinde olduğunda her iki seride de HfP2O7 kristal fazının olduğu ve bu fazın gözlenmesinin örneklerin eritme sıcaklığından bağımsız olduğu XRD spektrumlarının analizlerinden görüldü. SEM görüntülerinin ve EDAX spektrumlarının analizleri XRD sonuçları ile uyumlu olarak bu fazın varlığını teyit etti. DTA spektrumları endotermik cam geçiş sıcaklığının yanında kristal fazlara karşılık gelen ekzotermik piklerden oluştu. Cam geçiş sıcaklıklarının 505-522 ºC aralığında oldukları belirlendi. Örneklerin kimyasal dayanıklılık testleri 90 ºC de distile sudaki çözünürlük oranlarına bakılarak gerçekleştirildi ve borofosfat camlarına HfO2 eklenmesinin kimyasal dayanıklılığı olumsuz etkilemediği ve ayrıca HfP2O7 fazı içeren ve içermeyen örneklerin çözünürlük oranlarının birbirlerine yakın oldukları (10-9-10-10 g/cm2.dak) bulundu. HfO2 nin camın yapısına eklenmesi sonucu yapıda bir takım değişikliklerin olduğu IR spektrumlarının analizlerinden görülmektedir. Anahtar Kelimeler: Radyoaktif atık, demir fosfat camları, camlaştırma Hf, Pu, XRD, IR, DTA.

Iron phosphate glasses have been intensively studied as potential host matrix for the vitrification of certain nuclear wastes due to their properties such as high chemical durability, low melting temperature and high waste loading capacity. In this thesis, we have investigated the suitability of iron borophosphate glasses for the vitrification of Pu containing wastes. Since it is difficult to work directly with plutonium, we have used Hf as a surrogate for Pu4+ because of their similarities in valence and ionic radii. The effect of HfO2 addition on the structure and properties of iron borophsophate glasses have been studied by preparing two series of glasses. In the first series, Hf and B is added for only iron in the composition [xHfO2-yB2O3-((40-(x+y))Fe2O3-60P2O5, x=0,2,4,6,8; y=0,2,4,6,8] while in the second series they are added for both iron and phosphor [xHfO2-yB2O3-(100-(x+y))[40Fe2O3-60P2O5] x=2,4,6; y=2,4,6]. Glasses were prepared by melting homogeneous mixtures of reagent grade chemicals in alumina crucibles at 1200-1300 ºC in air and casting them into stainless steel bars. The structures of samples obtained were studied by XRD, SEM, DTA and IR. Form the analysis of XRD spectra, it was found that when the HfO2 content was above 2 mol%, the HfP2O7 crystalline phase was formed in the glass matrix in both series. The existence of this crystalline phase was independent of the melting temperature. The SEM and EDAX data were consistent with the XRD data and confirmed the existence of this crystalline phase. DTA spectra consisted of an endothermic peak corresponding to glass transition and an exothermic peak corresponding to crystallization. The glass transition temperatures were determined to be in the 505-522 ºC range. The chemical durabilities of the samples were determined from the dissolution rates in distilled water at 90 ºC and it was found that the addition of HfO2 in to iron borophosphate glasses did not degrade the chemical durability and chemical durability was independent of the existence of HfP2O7 phase as the dissolution rates of samples with and without this phase were very similar (10-9-10-10 g/cm2.min). It is seen from the analysis of IR spectra that addition of HfO2 into iron borophosphate glasses causes some structural modifications. Key words: Radioactive waste, iron phosphate glasses, vitrification, Hf, Pu, XRD, IR, DTA.