Radiation stability and durability of magnesium phosphate cement for the encapsulation of radioactive reactive metals

Large amounts of radioactive reactive metallic waste (RRMW), such as aluminium, beryllium, and tungsten alloys, are produced in nuclear facilities. Besides radioactivity, RRMW represents a source of concern because of its reactivity in alkaline media, such as Ordinary Portland Cement matrices. Corrosion-driven H2 production leads to deleterious effects, namely safety concerns, embrittlement, swelling, and premature cracking. A stable protective layer forms at the lower pH values of Magnesium Phosphate Cement (MPC) matrices, thus these materials are promisingly suitable for the encapsulation of RRMWs. The radiation stability of a MPC reference formulation is carried out at 100, 200, and 500 kGy. Compliance with waste acceptance criteria (WAC) is assessed by means of leaching and compression tests. Two series of samples, one pristine and one containing representatives of fission and activation products (Sr, Cs, Co, and Eu), were irradiated with a Co-60 source after 28 days of curing at relative humidity above 90%. Afterwards, the specimens underwent a 90-day leaching test according to the ANSI/ANS-16.1-2003 protocol. Unirradiated samples were used as reference. The release of both matrix constituents (K, P, and Mg) and contaminants was measured using inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy and inductively coupled plasma-mass spectrometry, respectively. Eventually, compressive tests were performed on all the samples, and characterization through X-ray powder diffraction, X-ray fluorescence, and mercury intrusion porosimetry was carried out. Leachability indices derived from the leaching tests and compressive strengths overcome the minimum reference values, 6.0 and 10 MPa respectively, imposed by Italian regulators with a solid margin. Moreover, no major differences attributable to radiation damages have been pointed out, thus confirming the stability of the MPC matrix up to 500 kGy. Further studies involving low-cost formulations, different contaminants (actinides), incorporation of surrogate RRMW, and thermal fatigue are ongoing to provide a complete assessment of the durability of MPC matrices.

Grandi quantità di rifiuti radioattivi reattivi metallici (RRMW), quali alluminio, berillio e tungsteno, sono prodotti negli impianti nucleari. In aggiunta alla radioattività, i RRMW sono una fonte di preoccupazione a causa della loro reattività in ambienti alcalini, come ad esempio nelle matrici di cemento Portland. La produzione di H2 indotta da corrosione comporta effetti deleteri, specialmente legati alla sicurezza, come infragilimento, swelling e rottura prematura. Uno strato protettivo stabile si forma nei valori di pH inferiori tipici delle matrici a base di Cemento Magnesio Fosfatico (MPC), rendendo questi materiali promettenti per l’incapsulamento dei RRMW. Uno studio di stabilità di una formulazione di riferimento nei confronti della radiazione viene condotto a dosi di 100, 200 e 500 kGy. In aggiunta, la conformità nei confronti dei waste acceptance criteria (WAC) è stabilita tramite test di lisciviazione e compressione. Due serie di provini, una non contaminata e l’altra contenente rappresentanti di prodotti di attivazione e fissione (Sr, Cs, Co e Eu), sono state irraggiate con una sorgente di Co-60 dopo 28 giorni di stagionatura. Successivamente, sono stati sottoposti a lisciviazione per 90 giorni seguendo il protocollo ANSI/ANS-16.1-2003. Provini non irraggiati sono stati usati come riferimento. Il rilascio di elementi costitutivi della matrice (K, P, e Mg) e dei contaminanti è stato misurato tramite tecniche a plasma accoppiato induttivamente. Infine, prove di compressione sono state effettuate sui provini, con annessa caratterizzazione tramite diffrazione e fluorescenza dei raggi X, e porosimetria intrusiva con mercurio. Gli indici di lisciviazione e resistenza a compressione superano i requisiti minimi imposti dagli enti regolatori italiani con un solido margine. Nessuna significativa differenza attribuibile ai danni da radiazione è stata osservata, confermando la stabilità della matrice fino a 500 kGy. Studi addizionali riguardanti formulazioni a basso costo, contaminanti differenti (attinidi), incapsulamento di RRMW surrogati e cicli termici, sono in corso per fornire una valutazione più completa della durabilità dei MPC.