Vittorio Luca

Programa Nacional de Gestión de Residuos Radiactivos

Gerencia de Química, Centro Atómico Constituyentes

Laboratorio de Investigación y Desarrollo de procesos para el Tratamiento y el

Acondicionamiento de Residuos RadiactivosLIDPTAR

Centro Atómico Constituyentes

13 de abril de 2012

1. Mining & MillingU3O8Lixiviacion, Hidrometalurgia,Precipitacion

3. Enrichment

2. Conversionto UF6

4. Fuel FabricationUO2 pelletsCeramic processing

5. Thermal Reactors

7. PartitioningDissolution,Hydro- & Pyroelectrometallurgy

9. TransmutationGen IV Thermal or Fast Reactors,ADS

10. Waste ProcessingSeparation,Solidification/immobilization

6. Waste ProcessingSeparation,Solidification/immobilization

Underpinning Research1. New Materials

2. Modelling3. Sensors

4. Safety & Safeguards

8. Adv. Fuel FabricationMOX, IMFSol-gel, CVD

Programa Nacional de Gestión de Residuos Radiactivos

A pesar de que la actividad nuclear en Argentina ha superado los 60 años

poco se ha avanzado en la gestión, en todas sus etapas, de los residuos

radiactivos generados durante este lapso de tiempo.

La industria nuclear nacional necesita una capacidad en I + D!

Desarrollo de infraestructura (instalación + instrumentación/equipamiento)

y capacidad humanaN

od

e R

eac

tore

s 2

00

8

114591755318

19104

720

105

TGA-DSC - TA Inst. Q600

Malvern Mastersizer 2000

AutoporeASAP 2420 NSP

FESEM - EFI F50

DRX - PanalyticalEmpyrean

ICP-HRMS - Thermo Element II

JUSTIFICACION DEL LABORATORIO

• La justificación del Laboratorio está dada por la necesidad de disponer de unainstalación donde se puedan llevar a cabo desarrollos con material radiactivo sobreel tratamiento y acondicionamiento de residuos radiactivos para poder darrespuesta a los requerimientos de NASA respecto de los criterios de aceptación delos residuos por ellos generados.

• En el AGE no se dispone de laboratorios para el trabajo con material radiactivo. Porotra parte la instalación PTAMB, si bien no fue pensada para trabajos de desarrollosino de procesos industriales, podría suplir en parte las necesidades al disponer dealgún laboratorio. Pero el tiempo de construcción y la fecha prevista originalmentepara su puesta en operaciones no permite disponer de los resultados de losdesarrollos en tiempos acordes con las necesidades del PNGRR (la realidad es queaún hoy no se comenzó la obra y no hay certeza de que se comience en 2012).

• Lo antes mencionado llevó a analizar la posibilidad de sumarnos a un sector conobras en marcha o por comenzar (BAPIN). Surgió así la relación con la Gcia deQuímica, fortalecida por el hecho que gran parte de los desarrollos son químicos, locual podría dar lugar a la participación de personal de Química en dichosdesarrollos. Asimismo los grupos del CAC en general se podrían beneficiar pordisponer de un laboratorio Clase II donde realizar experiencias con materialradiactivo.

A Tener en Cuenta

• El Laboratorio surge de la adecuación de una Planta concebida para otro

propósito, disponiendo de las dimensiones mínimas para cumplir con los

objetivos previstos.

• Por la naturaleza de los trabajos el Laboratorio será de acceso

restringido.

• Los residuos radiactivos que se generen deberán ser transportados al

AGE en forma sólida, por lo que los líquidos deberán ser previamente

almacenados y procesados. Por lo reducido del espacio la capacidad de

almacenamiento de líquidos es muy reducida.

13. DRX

2 4. SEM

5. ICP 7. Act

6. Gen 8. Act

Sector 1 Sector 2

Zona Supervisada Zona Controlada

Infrastructure Requirements

The nature of the work to be undertaken requires the establishment of certain researchinfrastructure that at present does not exist.

So we are investing in a New Laboratory!

Características de la instalación

• Planta de acceso restringido

• 8 laboratorios ( 2 para trabajo con muestras no activas y 6 para trabajo con

material radiactivo)

• 5 oficinas y una sala de reuniones

• Baños y Vestuarios

• Acceso a zona controlada a través de SAS de transferencia

• Zona controlada en depresión y con sistema de ventilación activa

• 4 cajas de guantes

• Instrumentación de la ultima generación para la:

- Investigación de la estructura, micro-estructura de materiales

nucleares.

- Cuantificación de radioisótopos en solución.

• Sistema de protección radiológica

• Sistema de control de calidad

Proyecto 5

Desarrollo de procesos separativos para residuos radiactivos

Objetivo: Desarrollar nuevas tecnologías

separativas (materiales y procesos), eficientes,

versátiles, sencillas y robustas.

Proyecto 3

Desarrollo de procesos químicos parael tratamiento y acondicionamientode residuos radiactivos

Objetivo: Evaluar, diseñar y desarrollar

procesos químicos para el tratamiento y

acondicionamiento de corrientes de residuos

radiactivos nacionales.

Alcance

PT1 - Cuantificación y Físico-Química de Actínidos y PF

PT2 - Desarrollo de sistemas separativos selectivos

PT3 - Conocimiento de los factores que determinan laestabilidad de los sistemas separativos frente a laradiación

PT4 - Métodos separativos secos (Piro-electrometalúrgica)

Alcance

PT1 - Tratamiento y Acondicionamiento de Residuos Orgánicos

PT2 - Tratamiento y Acondicionamiento de Líquidos acuosos.

PT3 - Tratamiento y Acondicionamiento de Resinas Inorgánicas

Liquidos Solidos

Organics Acuosos Filtros

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Solv

ents

(C

ON

UA

R)

Oils

(C

ON

UA

R)

Liq.

Pro

d. M

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Liq.

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Com

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Sol

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al

Dro

ss/s

war

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Com

bust

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s

Destruction - Biological

Phytoremediation

Destruction - Thermal

Incineration - Conventional

High Temperature Incineration

Pyrolysis

Plasma

Pre-treatment (Concentration)

Calcination/Drum drying

Selective Separation

Metal Melting

Molten Metal

Oil Solidification

PelletizationConditioning - Vitrification

Joule-Tompson Resistance Melter

Cold Crucible (Induction)

Plasma Arc

Microwave heating

Conditioning - Ceramicization/crystallization

Sintering

Hot Isostatic Pressing

Conditioning - Cementation

Ordinary Portland Cement

Modified Cements (fly ash, clay)

Phosphate Cements

Geopolymerization

Corto Plazo - Evaluacion de mas de 23 procesos y mas de 10 corrientes

Predominant

Innovative

Materiales para Inmovilizacion de Residuos Radiactivos: Ceramicos

Zirconolite CaZrTi2O7

30%

Hollandite[BaxCsy][(Ti,Al)3+

2x+yTi4+8−2x−y]O16

30%

Pervoskite SrTiO3

20%

Pyrochlore ABTi2O7

A=Ca2+, Gd3+, B=Gd3+, Hf4+, Pu4+, U4/6+

Synroc C can incorporate up to 35% PUREX waste

Zirconolite

Perovskite

Hollandite

Rutile

Mo,Ru metal

X-SEM ImageTEM Image

OPC-based

Geopolymer

Ceramicrete

Duralith

SiAl

Cast Stone

Hydroceramic Cement (Alkali Aluminosilicate )

DURALITH

Materiales para Inmovilizacion de Residuos Radiactivos: Cementos

Insoluble Ferrocyanides

Acid salts of multivalent metals - AMP

O

O

O O

O

OO

O

O O

O

OO

O

O O

O

O

Polyether intercalated zirconium phosphateZhang, B.; Clearfield, A. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2751-2752

1-aza-15-crown-5

(1,4,10,13-tetraoxa-7,16-diazacyclooctadecane)

Layered Metal Phosphates

Adsorbentes Inorganicos, Organicos y Hibridos

Clinoptilolite- Natural aluminosilicateCEC = 1 meq/g

Materiales Microporosos

1. Zeolites/Molecular Sieves

2. Lamellar Silicates

Modified Phlogopite Mica

Interlayer space

Channel

3. Titano/Zircono-silicates

Engelhardt Titanosilicate ETS-10

Sitinakite (IE-910)

Metal Organic Frameworks

Para la asorcion de actinidos y productos de fision

Belloni et al.Can carbon nanotubes play a role in the field of nuclear waste management?Environmental Science and Technology 2009, 43,1250

Carbonos

Luca et al.

Actinide and Lanthanide Adsorption Properties of Hierarchically Porous Carbons Beads

prepared from Polyacrylonitrile and Phenolic Resins

1

10

100

1000

10000

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

c

b

a

55

73

85

5674

146

86

82

147

143

2 (degrees)

Arb

itu

ary

In

ten

sity (

cp

s)

0

50

100

150

200

250

300

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1P/P0

Vo

l. A

ds.

(cm

3/g

)

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

1 10 100

Pore Diameter (nm)

Po

re V

ol (c

m3

/g)

Step 1Development of adsorbent kernels withhierarchical porosity and having variouscompositions e.g. ZrxTi1-xO2 solid solutionsor carbon-metal oxide composites

Step 2Functionalization with bifunctionalmolecules having appropriate anchor andbinding groups e.g. polyphosphonic acids

Step 3Selective minor actinide and/orfission product extraction

Option 2Adsorption in inertceramic or composite matrixe.g. Zirconolite, pyro

Mesoporous ZrTi2-oxide in granular formwith uniform Zr and Ti distribution shouldlead to synroc-like ceramics at lowtemperatures

Cradle-to-Grave Concept for Nuclear Waste Management

Selective MAand/or FP adsorption

Transmutation inFast and/or Thermalprocess

5 mm Porous Monolith

Deep undergroundrepository disposal

Option 1Immobilization in ceramic matrix or compositematrix e.g. Zirconolite or Pyro

or ADS

DRX - Panalytical EmpyreanFESEM – FEI Inspect F50

ASAP 2420 NSP Malvern Mastersizer 2000 TGA-DSC - TA Inst. Q600

Autopore

Bruker – S2 Pico FOX TRXRF

2” NaI detectorCarrousel con capacidad para 100 muestras

Instrumentación para cuantificación de

elementos radiactivos y no radiactivos

ICP-HRMS - Thermo Element II

Instrumentación para cuantificación de

elementos radiactivos y no radiactivos

ICP-HRMS - Ficha Técnica

Análisis de elementos múltiples tras toda la tabla periódica desde mg/L hasta sub pg/L.Apto para uso con soluciones orgánicas y inorgánicas y matrices solidas.Alta resolución de masa para acceder isotopos que interfieren para identificación sin ambigüedad.Detector de elementos múltiples para señales transitoriosAlta precisión en medición de cocientes de isotopos – independiente de interferencias y isotopos que interfierenSintonización y cuantificación totalmente automática – conjunto con comprensivo y adaptable sistema de control de calidadAlto rendimiento

Bruker – S2 Pico FOX TRXRF

MHG – Controlador de Humedad

Panalytical Empyrean – High Resolution Powder Diffractometer

Instrumentación para la identificación, refinamiento

y determinación de estructuras cristalinas

Capacidad

• Resolución que se acerca a lo de un sincrotrón

Nuevo Detector PIXcel 3D de alta velocidad

• Time-resolved diffraction

• Difracción a bajo y alto ángulo

• Difracción a temperatura ambiental y alta (hasta

1600 oC)

• SAXS/WAXS

• Reflectometria

• Stress/Textura

SAXS-WAXS Analysis

Optical and other Components

Long Fine-Line focus X-ray TubeParallel Beam X-ray MirrorParallel Plate CollimatorTransmission cellsPIXcel detector

Anton Paar - Cámara HTK16N, para alta temperatura programable

hasta 1.600 ºC con ajuste del eje Z.

Fuente de potencia TCU 2000N, válvula detectora de flujo de agua,

cables de conexión, adaptador para conexión de vacío y cinta

calefactora de platino de 1mm de espesor.

Quorum Technologies Q150T ES

Advanced Sputter CoaterBrazilian National NanotechnologyLaboratory

FESEM – FEI Inspect F50

DetectorsElectrones secundarios, tipo Everhardt-ThornleyElectrones retrodispersados de 2 cuadrantesCámara de TV interior, infra-roja, para visión de las muestras dentro de la cámara.

Electron OpticsHigh resolution Schottky field emission (FEG)Accelerating voltage: 200 V to 30 kVProbe Current: ≤ 200 nA

Electron Beam resolutionHigh vacuum1.2 nm at 30 kV (SE)2.9 nm at 1 kV (SE)2.5 nm at 30 kV (BSE)

Vacuum System (Oil free)Chamber vacuum (high) < 6e-4 PaFor imaging and microanalysis of conductive and/or conventionally prepared specimens.

System OptionsBeam Deceleration (BD)For conductive and partially conductive samples, which applies negative voltage of up to 4 kV to the sample.

Espectrómetro EDSModelo Genesis

FESEM - Deceleración de Haz

Tipo cátodo-lente con tensión de desaceleración variable

Mejor resolución con reducción de daño

Thermo Interceptor

Instrumental de radioprotección

Berthold – LB 124 SCINT

Berthold – LB 147 Hand and Foot

Thermo – FH40GL Survey

Canberra – iCAM a, b, gContinuous air monitor

The End!