Chemical Stability of Ceramics Based on Y2.5Nd0.5Al5O12 Oxide with a Garnet Structure in Various Environments

L. S. Alekseeva; Алексеева Л. С.; A. V. Nokhrin; Нохрин А. В.; A. I. Orlova; Орлова А. И.; M. S. Boldin; Болдин М. С.; A. V. Voronin; Воронин А. В.; A. A. Murashov; Мурашов А. А.; V. N. Chuvil’deev; Чувильдеев В. Н.

doi:10.31857/S0002337X23080018

Chemical Stability of Ceramics Based on Y2.5Nd0.5Al5O12 Oxide with a Garnet Structure in Various Environments

Authors: Alekseeva L.S.¹, Nokhrin A.V.², Orlova A.I.¹, Boldin M.S.², Voronin A.V.¹, Murashov A.A.¹, Chuvil’deev V.N.²
Affiliations:
1. Lobachevsky State University
2. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod
Issue: Vol 59, No 8 (2023)
Pages: 942-950
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/231977
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23080018
EDN: https://elibrary.ru/XNKEQQ
ID: 231977

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Oxide Y2.5Nd0.5Al5O12 with the structure of the garnet mineral has been obtained by coprecipitation after annealing at 1000°C. Fine-grained ceramics has been produced by spark plasma sintering based on synthesized powder. The relative density of the ceramics was 99.1%. The chemical stability of the ceramics has been studied in static mode at 90°C in distilled and mineral water, acidic solution, and alkaline solution. The minimum rates of Y and Nd leaching were 10–10 to ~10–6 g/(m2 day). The effect of the contact environment on the rate and mechanism of Y and Nd leaching from the Y2.5Nd0.5Al5O12 ceramics was studied during 42 days.

Keywords

mineral-like waste forms, garnet, ceramics, hydrolytic tests, leaching mechanism

References

Crum J.V., Vienna J.D. Environmental Issues and Waste Management Technologies in the Materials and Nuclear Industries XII // Ceram. Trans. 2008. V. 207. P. 3–8. https://doi.org/10.1002/9780470538371.ch4
Фосфатные стекла с радиоактивными отходами / Под ред. Вашмана А.А., Полякова А.С. М.: ЦНИИАтоминформ, 1997. 172 с.
Стефановский С.В., Стефановская О.И., Семенова Д.В. Фазовый состав и структура стекломатериалов на натрий-алюмофосфатной основе, содержащих оксиды редкоземельных элементов // Радиоактивные отходы. 2018. № 1(2). С. 97–101.
Hsieh Y.-H., Humphry-Baker S.A., Horlait D., Gregg D.J., Vance E.R., Lee W.E. Durability of Hot Uniaxially Pressed Synroc Derivative Wasteform for EURO-GANEX Wastes // J. Nucl. Mater. 2018. V. 509. P. 43–53. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.06.006
Vance E.R., Jostsons A., Day R.A. Excess Pu Disposition in Zirconolite–Rich Synroc // MRS Symp. Proc. Pittsburgh: MRS, 1996. V. 412. P. 41–47. https://doi.org/10.1557/PROC-412-41
Solomah A.G., Sridhar T.S., Jones S.C. Immobilization of Uranium–Rich High–Level Radioactive Waste in Synroc–FA // Adv. Ceram. 1986. V. 20. P. 259–265.
Лаверов Н.П., Юдинцев С.В., Лившиц Т.С., Стефановский С.В., Лукиных А.Н., Юинг Р.Ч. Искусственные минералы со структурой пирохлора и граната: матрицы для иммобилизации актинидсодержащих отходов // Геохимия. 2010. № 1. С. 3–16.
Potanina E., Golovkina L., Orlova A., Nokhrin A., Boldin M., Sakharov N. Lanthanide (Nd, Gd) Compounds with Garnet and Monazite Structures. Powders Synthesis by “Wet” Chemistry to Sintering Ceramics by Spark Plasma Sintering // J. Nucl. Mater. 2016. V. 473. P. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.02.014
Томилин С.В., Лизин А.А., Лукиных А.Н., Лившиц Т.С. Радиационная и химическая устойчивость алюмоиттриевого граната // Радиохимия. 2011. Т. 53. № 2. С. 162–165.
Burakov B.E., Anderson E.B. Plutonium Future – The Science //AIP Conf. Proc. Melville, NY. 2000. P. 159–160. https://doi.org/10.1063/1.1292241
Лаверов Н.П., Величкин В.И., Омельяненко Б.И., Юдинцев С.В., Петров В.А., Бычков А.В. Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. 5. Изоляция отработавших ядерных материалов: геолого‑геохимические основы. М.: ИГЕМ РАН; ИФЗ РАН, 2008. 280 с.
Лившиц Т.С., Лизин А.А., Джанг Дж., Юинг Р.Ч. Аморфизация редкоземельных алюминатных гранатов при ионном облучении и распаде примеси 244Cm // Геология руд. месторождений. 2010. Т. 52. № 4. С. 297–309.
Лившиц Т.С. Устойчивость искусственных ферритных гранатов с актиноидами и лантаноидами в водных растворах // Геология руд. месторождений. 2008. Т. 50. № 6. С. 535–547.
Лукиных А.Н., Томилин С.В., Лизин А.А., Лившиц Т.С. Радиационная и химическая устойчивость синтетической керамики на основе ферритного граната // Радиохимия. 2008. Т. 50. № 4. С. 375–379.
Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Орлова А.И., Чувильдеев В.Н. Гидролитическая устойчивость керамики на основе Y2.5Nd0.5Al5O12 со структурой граната в гидротермальных условиях // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 8. С. 918–922. https://doi.org/10.31857/S0002337X21080170
Zhang S., Wang L., Xu B., Liu J., Luo S., Ji S., Ding Y., Zhang L., Ma J., Duan T. Rapid Synthesis of Nd-Doped Y3Fe5O12 Garnet Waste Forms by Microwave Sintering // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 15. P. 21924–21933. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.210
Konovalov E.E., Lastov A.I., Nerozin N.A. On Immobilization of High-Level Waste in an Y–Al Garnet-Based Cermet Matrix in SHS Conditions // Nucl. Eng. Technol. 2015. V. 1. № 2. P. 103–106. https://doi.org/10.1016/j.nucet.2015.11.021
Yudintsev S.V., Osherova A.A., Dubinin A.V., Zotov A.V., Stefanosky S.V. Corrosion Study of Actinide Waste Forms with Garnet-Type Structure // Proc. of Symp. “Sci. Basis for Nucl. Waste Management XXVIII”. Warrendale: MRS, 2004. V. 824. P. 287–292.
Zhong M.-X., Walkley B., Bailey D.J. et al. Synthesis of Ca1–xCexZrTi2–2xAl2xO7 Zirconolite Ceramics for Plutonium Disposition // J. Nucl. Mater. 2021. V. 556. P. 153198. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153198
Blackburn L.R., Sun S.-K., Lawson S.M., Blackburn L.R., Ding H., Wang S.-Q., Bao W.-C., Gardner L.J., Sun S.-K., Stennett M.C., Corkhill C.L., Hyatt N.C. Synthesis and Characterisation of Ca1–xCexZrTi2–2xCr2xO7: Analogue Zirconolite Wasteform for the Immobilisation of Stockpiled UK Plutonium // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. P. 5909–5919. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.066
Strachan D.M., Scheele R.D., Buck E.C., Kozelisky A.E., Sell R.L., Elovich R.J., Buchmiller W.C. Radiation Damage Effects in Candidate Titanates for Pu Disposition: Zirconolite // J. Nucl. Mater. 2008. V. 372. P. 16–31. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.01.278
Stefanovsky S.V., Yudintsev S.V., Nickolsky M.S., Stefanovsky O.I., Skvortsov M.V. Characterization of Modified Murataite Based Ceramics as a Perspective Hosts for Actinides, Fission, and Corrosion Products of HLW // J. Nucl. Mater. 2020. V. 529. P. 151958. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.151958
Стефановский С.В., Пташкин А.Г., Князев О.А., Юдинцев С.В., Никонов Б.С., Лапина М.И. Влияние условий синтеза на фазовый состав и строение торий-содержащей муратаитовой керамики // ФХОМ. 2007. № 4. С. 68–77.
Маслаков К.И., Тетерин Ю.А., Стевановская О.И., Калмыков С.Н., Тетерин А.Ю., Иванов К.Е., Данилов С.С., Юдинцев С.В., Мясоедов Б.Ф. Изучение методом РФЭС керамик на основе муратаита, содержащих лантаниды // Радиохимия. 2021. Т. 63. С. 572–581. https://doi.org/10.31857/S0033831121060095
Wang Z., Zhu C., Wang H., Wang M., Liu C., Yang D., Li Y. Preparation and Irradiation Stability of A2B2O7 Pyrochlore High-Entropy Ceramic for Immobilization of High-Level Nuclear Waste // J. Nucl. Mater. 2023. V. 574. P. 154212. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154212
Vinokurov S.E., Kulyako Yu.M., Perevalov S.A., Myasoedov B.F. Immobilization of Actinides in Pyrochlore-Type Matrices Produced by Self-Propagating High-Temperature Synthesis // Comp. Rend. Chim. 2007. V. 10. № 10–11. P. 1128–1130. https://doi.org/10.1016/j.crci.2007.04.011
Лаверов Н.П., Юдинцев С.В., Величкин В.И., Лукиных А.Н., Томилин С.В., Лизин А.А., Стефановский С.В. Влияние аморфизации на изоляционные свойства пирохлоровой матрицы актинидов // Радиохимия. 2009. Т. 5. С. 462–468.
Куражковская В.С., Орлова А.И., Быков Д.М. Инфракрасная спектроскопия и строение тригональных ортофосфатов циркония с лантаноидами и актиноидами // Журн. структур. химии. 2004. Т. 45. № 6. С. 1013–1019.
Orlova A.I. Crystalline Phosphates for HLW Immobilization – Composition, Structure, Properties and Production of Ceramics. Spark Plasma Sintering as a Promising Sintering Technology // J. Nucl. Mater. 2022. V. 559. P. 153407.
Bykov D.M., Konings R.J.M., Apostolidis C., Hen A., Colineau E., Wissb T., Raison P. Synthesis and Investigation of Neptunium Zirconium Phosphate, a Member of the NZP Family: Crystal Structure, Thermal Behaviour and Mossbauer Spectroscopy Studies // Dalton Trans. 2017. V. 46. P. 11626–11635. https://doi.org/10.1039/C7DT02110K
Быков Д.М., Орлова А.И., Томилин С.В., Лизин А.А., Лукиных А.Н. Америций и плутоний в фосфатах тригонального строения (тип NZP) Am1/3[Zr2(PO4)3] и Pu1/4[Zr2(PO4)3] // Радиохимия. 2006. Т. 48. № 3. С. 211–216.
Qin D., Shelyug A., Szenknect S., Mesbah A., Clavier N., Dacheux N., Navrotsky A. Chemical and Environmental Stability of Monazite-Cheralite Solid Solutions Ln1–2xCaxThxPO4 (Ln = Pr, Nd; x = 0–0.15): A Thermodynamic Study // Appl. Geochem. 2023. V. 148. P. 105504. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2022.105504
Arinicheva Y., Popa K., Scheinost A.C., Rossberg A., Dieste-Blanco O., Raison P., Cambriani A., Somers J., Bosbach D., Neumeier S. Structural Investigations of (La,Pu)PO4 Monazite Solid Solutions: XRD and XAFS Study // J. Nucl. Mater. 2017. V. 493. P. 404–411. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.06.034
De Groot G.J., Van der Sloot H.A. Determination of Leaching Characteristics of Waste Minerals Leading to Environmental Product Certification // Stabilization and Solidification of Hazardous, Radioactive and Mixed Wastes / Eds. Gilliam T.M., Wiles C.C. V. 2. Philadelphia: ASTM, 1992. P. 149–170.
Torras J., Buj I., Rovira M., de Pablo J. Semi-Dynamic Leaching Tests of Nickel Containing Wastes Stabilized/Solidified with Magnesium Potassium Phosphate Cements // J. Hazard. Mater. 2011. V. 186. P. 1954–1960. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.12.093
Xue Q., Wang P., Li J.-S., Zhang T.-T., Wang S.-Y. Investigation of the Leaching Behavior of Lead in Stabilized/Solidified Waste Using a Two-Year Semi-Dynamic Leaching Test // Chemosphere. 2017. V. 166. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.09.059
Ding Y., Long X., Peng S., Zhang D., Tan Z., Lu X. Phase Evolution and Aqueous Durability of Zr1−x−yCexNdyO2−y/2 Ceramics Designed to Immobilize Actinides with Multi-Valences // J. Nucl. Mater. 2017. V. 487. P. 297–304. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.02.024
Gao X., Huang Y., Teng Y., Yan M., Zhang H., Tuo X., Peng S. Fabrication and Chemical Durability of Hot-Pressed Na-Bearing Fluorapatite-Type Ca8Sm1Na1(PO4)6F2 Ceramic for Immobilization of Trivalent Minor Actinide // J. Nucl. Mater. 2018. V. 507. P. 297–305. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.05.017