Conditioning of treated radioactive solid organic waste in innovative alkali activated matrices

Nuclear technologies are employed in a plethora of fields, ranging from medicine to energy production, which also generate nuclear wastes with different properties, each requiring a specific kind of disposal. Between these, the focus of this work lies on radioactive solid organic waste (RSOWs), specifically on its treatment and conditioning, within the Work Package 6 of the EU H2020 PREDIS (PRE-DISposal management of radioactive waste) project. RSOWs conditioning results challenging due to swelling and flammability, related to the organic content of the waste, along with low loading factors and unsatisfactory durability. Alkali activated materials have been employed as substitutes to Portland cements as matrices for the encapsulation of radioactive waste, in order to obtain better compatibility between the waste and the matrix and with the further benefit of limiting greenhouse gas emission by incorporating industrial by-products in the pastes. In this thesis’ work two different formulations of alkali activated matrices were investigated, with the aim to choose the best one to condition two types of surrogate waste: IRIS Ashes and MSO residues, which are the result of different treatment processes. Tests on compressive strength and leaching of constituents and contaminants were carried out, along with characterizations of precursors, activators and final waste forms through XRD, XRF and porosity analysis, with the end goal to obtain an overview of both macroscopic and microscopic properties and confront the results with the Italian Waste Acceptance Criteria, which need to be fulfilled to allow the disposal of the waste forms in proper repositories. For both surrogate wastes, results were more promising in case of 20wt.\% loading factor, while they were unsuccessful for higher percentages. Finally, a different treatment approach for MSO residue was proposed, with the aim to improve the previously mentioned results, by eliminating carbonates with an acid-base reaction. Further studies need to be conducted to assess the feasibility and efficiency of this treatment.

Le tecniche nucleari sono utilizzate in una grande diversità di campi, che variano dalla medicina alla produzione di energia. Queste attività generano rifiuti radioattivi con proprietà differenti, ciascuno con uno specifico smaltimento necessario. Tra questi, la presente tesi si focalizza su i rifiuti radioattivi organici solidi, specialmente sul loro trattamento e condizionamento, all'interno del Work Package 6 del progetto EU H2020 PREDIS. Come matrici di incapsulamento dei rifiuti radioattivi sono stati utilizzati materiali attivati alcalinamente, come sostituti al cemento Portland, con il fine di migliorare la compatibilità tra rifiuto e matrice e in con, in aggiunta, il beneficio di ridurre le emissioni di gas serra e incorporare nell'amalgama scarti industriali. In questa tesi sono state studiate due formulazioni differenti di matrici attivate alcalinamente, con lo scopo di scegliere quella con proprietà migliori da usare nei passi successivi della campagna sperimentale, che consiste nel condizionamento di due tipi di rifiuti surrogati, trattati diversamente, cioè le ceneri IRIS e il residuo MSO. Sono stati eseguiti test sulla resistenza a compressione e sul rilascio di constituenti e contaminanti, oltre a una caratterizzazione tramite tecniche XRD, XRF e analisi porosimetriche dei precursori, attivatori e dei campioni finali, con l'obiettivo di ottenere una visione di insieme sulle caratteristiche microscopiche e macroscopiche delle matrici con incorporati i rifiuti e confrontare i risultati con i requisiti minimi imposti dall'ente regolatore italiano, che devono essere soddisfatti per permettere lo smaltimento in deposito. Per entrambi i rifiuti surrogati, i risultati sono più promettenti per fattori di caricamento del 20\% in massa, mentre non sono accettabili per caricamenti maggiori. Infine, si è proposto un diverso approccio per il trattamento del residuo MSO, con lo scopo di migliorare i risultati precedentemente ottenuti, attraverso l'eliminazione dei carbonati con un attacco acido. Ulteriori studi sono necessari per constatare la fattibilità in larga scala e l'efficienza di questo metodo di trattamento.