Innovative management of radioactive solid organic waste via dry oxidative treatment and encapsulation in sustainable tuff-based geopolymers

The versatility of nuclear technologies contributes to the generation of radioactive waste with varying chemical, physical and radiological properties, a limiting factor in the development of disposal solutions. Specifically, radioactive solid organic waste, which is the subject of this work developed in the framework of the EU H2020 PREDIS project, has characteristics that make it difficult to manage, in addition to being intrinsically incompatible with the confinement matrices traditionally used. In the recent years, the innovative class of geopolymeric materials proved to be a valid alternative to Portland cement, especially when combined with waste pre-treatment processes. In this thesis work, dry oxidative degradation of nuclear-grade ion-exchange resins followed by residues encapsulation in geopolymeric matrices using exclusively natural and recycled industrial by-products precursors have been investigated and optimised on a laboratory scale to improve the environmental sustainability. Thermal degradation of the resin samples, loaded with stable fission and activation products (Co, Ni, Sr, Cs, Nd, and Eu) as representative surrogate waste, resulted in a mass reduction above 96%, with total decomposition of the organic com- ponent in the ashes, as verified by XRD, Raman and FTIR analyses. The same cations have been used to measure the exchange capacity of two geopolymer precursors: a natural tuff, and the reference metakaolin. The results confirmed that the former provides better waste-matrix interaction, however exhibiting a lower reactivity. However, the addition of pozzolanic industrial by-products to the mix resulted in products compliant with the waste acceptance criteria, with a waste loading factor of up to 20% by mass. Optimal curing conditions and chemical composition were evaluated by compression tests, while confinement and thermal stability properties were assessed by leaching tests and thermogravimetric analysis, respectively. The obtained results confirm the promising properties of the new matrix and foster further studies.

La versatilità delle tecnologie nucleari contribuisce alla generazione di rifiuti radioattivi con proprietà chimiche, fisiche e radiologiche variegate, un fattore penalizzante nello sviluppo di soluzioni per lo smaltimento. Nello specifico, i rifiuti radioattivi solidi organici, oggetto del presente lavoro sviluppato all’interno del progetto PREDIS EU H2020, hanno caratteristiche che li rendono difficili da gestire, oltre a essere intrinsecamente incompatibili con le matrici di confinamento tradizionalmente impiegate. Recentemente, la classe innovativa dei geopolimeri ha dimostrato di essere una valida alternativa al cemento Portland, soprattutto se integrata con tecniche di pre-trattamento del rifiuto. In questo lavoro di tesi sono stati studiati e ottimizzati, su scala di laboratorio, la degradazione termica di resine a scambio ionico di grado nucleare esauste e la formulazione di geopolimeri con materiali naturali e di scarti industriali riciclati, per una maggiore sostenibilità ambientale. L’ossidazione a secco dei campioni di resina, caricati con isotopi stabili di prodotti di fissione e attivazione (Co, Ni, Sr, Cs, Nd ed Eu) per generare un rifiuto surrogato rappresentativo, ha permesso una riduzione in massa oltre 96%, con assenza di componenti organiche nelle ceneri, come verificato con analisi XRD, Raman e FT-IR. Con gli stessi cationi si è poi proceduto a misurare la capacità di scambio di due precursori geopolimerici: un tufo naturale e la metacaolina come riferimento. I risultati hanno con- fermato una migliore interazione rifiuto-matrice, a discapito di una minore reattività. L’aggiunta di scarti industriali pozzolanici all’impasto ha però permesso l’ottenimento di manufatti che soddisfano i requisiti di idoneità imposti dalle normative, con capacità di carico di rifiuto fino al 20% in massa. Le condizioni ottimali di stagionatura e composizione chimica degli elementi sono state valutate mediante prove di compressione, mentre le proprietà di confinamento e stabilità termica attraverso prove di lisciviazione e analisi termogravimetriche. I risultati ottenuti confermano le promettenti proprietà della nuova matrice e suggeriscono ulteriori studi.