Enabling radioactive liquid organic waste disposal by direct conditioning in novel geopolymers

Due to its chemical and physical instability, radioactive liquid organic waste (RLOW) generated by nuclear facilities poses significant waste management challenges%, both during operations and decommissioning . Pre-treatment methods typically adopted to allow its disposal aim at decomposing the organic component and reduce waste volumes, obtaining an inorganic residue suitable for conditioning. However, such methods are often costly and generate secondary wastes, including potentially contaminated off-gases. To solve these issues, new alternative strategies have emerged, such as direct conditioning of RLOW in inert matrices, eliminating pre-treatment need. In this thesis work, developed within the H2020-PREDIS project, two conditioning approaches were investigated for encapsulating the most challenging RLOW into sustainable geopolymeric matrices: direct immobilization and pre-emulsification. They were tested using surrogate and real wastes from radioanalytical laboratories and solvent extraction operations, such as liquid scintillation cocktails (LSC) and mixtures of kerosene and extractants like tributyl phosphate. A metakaolin-based and a mix-based formulation comprising metakaolin, fly ash, and blast furnace slag were tested to encapsulate 30 vol.\% of waste by volume in the final wasteform. Then, to simulate the possible disposal scenarios, specimens were subjected to various ageing conditions, including gamma irradiation, water immersion and freeze/thaw cycles. Mechanical and leaching tests were conducted to assess the wasteforms' compliance with the waste acceptance criteria, along with characterization of porosity and phase composition (by X-ray diffraction analysis). Unlike the metakaolin based matrix which managed to encapsulate both wastes, the mix-based worked only with LSC waste. Obtained results indicate that the mixed formulation exhibited better compressive strength, although the presence of waste halved the strength values with respect to the matrix-only samples. Leaching, porosity, and phase composition were almost solely influenced by the matrix formulation, with no appreciable influence from waste presence or storage/ageing conditions. Further studies will be necessary to improve durability of metakaolin based matrix and compatibility of the mix-based with other wastes.

A causa delle sue proprietà chimiche, fisiche e radiologiche, i rifiuti organici liquidi radioattivi (RLOW) generati dalle strutture nucleari pongono sfide significative nella gestione dei rifiuti. I metodi tradizionali di pre-trattamento, finalizzati alla distruzione della componente organica e alla riduzione dei volumi di rifiuti per ottenere un residuo inorganico adatto al condizionamento, sono spesso costosi e generano rifiuti residui, inclusi gas di scarico potenzialmente contaminati. Per affrontare questi problemi, sono state sviluppate strategie alternative, come il condizionamento diretto di RLOW in matrici inerti, eliminando la necessità del pre-trattamento. Questa tesi, inserita nel progetto H2020-PREDIS, ha indagato due approcci di condizionamento per l'incapsulamento di RLOW in matrici geopolimeriche sostenibili: l'immobilizzazione diretta e la pre-emulsificazione. Sono stati incapsulati rifiuti surrogati e reali provenienti da laboratori di analisi radiochimica e operazioni di estrazione solvente, come i cocktail a scintillazione liquida (LSC) e miscele di kerosene ed estrattori come il tributilfosfato. Una formulazione a base di metakaolina e una mista composta da metakaolina, cenere volante e scorie di altoforno sono state testate per incapsulare il 30 vol.\% in volume di rifiuti. I campioni sono stati sottoposti a varie condizioni di invecchiamento per simulare scenari di smaltimento: irraggiamento gamma, immersione in acqua e cicli di gelo/scongelamento. I test meccanici e di rilascio hanno valutato la conformità ai criteri di accettazione dei rifiuti, insieme a caratterizzazioni di porosità e composizione di fase (tramite analisi diffrazione a raggi X). A differenza della matrice a base metakaolina che riesce a incapsulare entrambi i rifiuti, la formulazione mista funziona solo con rifiuto LSC. I risultati indicano che la formulazione mista ha mostrato una migliore resistenza a compressione, anche se la presenza di rifiuto ha dimezzato i valori di resistenza. Il rilascio, la porosità e la composizione delle fasi sono stati quasi solo influenzati dal tipo di matrice, senza una forte influenza della presenza di rifiuti o dalle condizioni di invecchiamento. Saranno necessari ulteriori studi per migliorare la durabilità della matrice a base di metakaolina e la compatibilità della formulazione mista con altri rifiuti.