针对目前水泥固化技术处理废有机溶剂磷酸三丁酯热解炉灰存在的增容和核素浸出率较高等不足,本文提出了一种原位矿化处理废有机溶剂磷酸三丁酯热解炉灰的技术,其核心思想是在模拟放射性热解炉灰[Ca₂P₂O₇、Ca(OH)₂、Nd₂O₃]中添加Ca F₂、Na₂CO₃,即可实现废有机溶剂磷酸三丁酯热解炉灰的原位矿化和模拟核素Nd在原位矿相氟磷灰石中的晶格固化。本文利用常压煅烧工艺合成原位矿相氟磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆F₂]和掺钕氟磷灰石固溶体[Ca_10-2xNd_xNa_x(PO₄)₆F₂],采用热压烧结技术制备掺钕氟磷灰石陶瓷固化体[Ca₈Nd₁Na₁(PO₄)₆F₂];借助X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、EDX能谱仪、维氏硬度计等测试手段对样品的晶相组成、PO₄^3-基团、元素分布、元素组成和维氏硬度进行系统表征;采用MCC-1标准进行掺钕氟磷灰石陶瓷固化体的浸出试验,借助ICP-MS、ICP-OES、AAS分别测试浸出液中Nd³⁺、Ca²⁺和Na⁺离子浓度,探明掺钕氟磷灰石陶瓷固化体的化学稳定性及Nd³⁺、Ca²⁺、Na⁺三种离子的浸出行为。本论文主要包括以下三个部分:(1)空气气氛下原位矿相氟磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆F₂]的低温可控合成。在传统常压煅烧工艺基础上引入二次煅烧并在原化学计量摩尔比基础上额外添加5 wt.%氟化钙,能够在煅烧温度900℃和保温时间4 h的实验条件下合成原位矿相氟磷灰石。合成的原位矿相氟磷灰石仅含有吸附水和PO₄^3-基团,合成氟磷灰石晶粒结晶良好,晶粒之间晶界清晰,晶粒尺寸介于1-3μm,Ca、P、O和F等化学元素均匀地分布在原位矿相氟磷灰石晶相中。(2)掺模拟核素钕氟磷灰石固溶体[Ca_10-2xNd_xNa_x(PO₄)₆F₂]的常压煅烧及表征。常压煅烧工艺制备掺钕氟磷灰石固溶体的较佳工艺参数为煅烧温度900℃,保温时间4h。合成的掺钕氟磷灰石固溶体Ca_10-2xNd_xNa_x(PO₄)₆F₂为有限固溶体,其极限固溶度为x=1.1公式单位(质量百分比:14.367 wt.%),当固溶度x>1.1,样品会出现第二生成相氟氧化钕(Nd OF),不同Nd固溶量(x=0.8-1.1)对Ca_10-2xNd_xNa_x(PO₄)₆F₂固溶体显微结构不会产生明显的影响。(3)掺钕氟磷灰石陶瓷固化体[Ca₈Nd₁Na₁(PO₄)₆F₂]的热压烧结及化学稳定性研究。热压烧结制备掺钕氟磷灰石陶瓷固化体的较佳工艺参数为热压烧结温度1100℃,保温时间2 h,该工艺参数下制备固化体的维氏硬度达到5.999 GPa;掺钕氟磷灰石陶瓷固化体[Ca₈Nd₁Na₁(PO₄)₆F₂]在酸性和碱性浸泡液中会受到较为严重浸蚀,尤其在pH=3浸泡液中浸蚀程度最为严重,并在其固化体表面新生成含钙独居石型晶体(Ca_0.19Nd_0.99PO_3.71);掺钕氟磷灰石陶瓷固化体在中性浸泡液中浸泡42天后,其表面的晶相组成和显微结构未发生明显变化,表明掺钕氟磷灰石陶瓷固化体[Ca₈Nd₁Na₁(PO₄)₆F₂]在中性浸泡液中具有优良的化学稳定性,其模拟核素Nd的归一化浸出率低至~10^-5 g·m^-2·d^-1,比目前已工程化应用的硼硅酸盐玻璃固化体中核素归一化浸出率(10^-3 g·m^-2·d^-1)低2个数量级。本文提出的原位矿化处理技术不仅能够实现废有机溶剂磷酸三丁酯热解炉灰的减容和资源化利用,还能够制备出矿相纯度高、化学稳定性优良的掺模拟核素钕氟磷灰石陶瓷固化体。其相关研究成果可为制备综合性能优良的放射性核素陶瓷固化体提供科学依据与技术支撑,为PUREX流程废有机溶剂磷酸三丁酯热解炉灰的安全固化处理奠定基础。