Laboratorio de Investigación y Desarrollo de procesos ... · Sistema de protección radiológica...
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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
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UA
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Pro
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Sol
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Dro
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Com
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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!