Innovative decontamination and conditioning for metallic waste from nuclear decommissioning

In nuclear industry, the decommissioning of nuclear facilities generates significant volumes of contaminated metallic waste. The decontamination of this waste stream holds the potential to facilitate the recycling and reutilization of metal scraps, thereby mitigating the environmental impact associated with dismantling operations. This thesis is dedicated to enhancing the efficacy of an innovative process, named Advanced Phadec-based process, based on phopshoric acid decontamination tehcnology and involving a conditioning step, aimed at removing the contamination and conditioning it in a durable wasteform. The process comprises four phases. The initial phase involves the dissolution of a surface layer of the metallic material in phosphoric acid. From the first step, a solution rich in iron is obtained, which undergoes an oxidation step. The subsequent phases consist of an electrochemical precipitation, resulting in a phosphate sludge that is then conditioned into an iron phosphate glass through heat treatment, along with a liquid phase, named supernatant, that is recovered and recycled. A preliminary test was conducted at the demonstrator plant provided to Politecnico di Milano by Ansaldo Nucleare as part of a collaboration. Based on the results obtained from the plant, subsequent laboratory-scale tests were conducted to assess the possibility of improving the precipitation phase by optimizing certain parameters or introducing new operational solutions. Experimental activities were conducted for improving the decontamination yields of the ferric solution by exploiting high temperature, a multi-stage electrochemical precipitation or the addition of a co-precipitant in the electrochemical precipitation step. A preliminary study on the impact of a different sludge composition on vitrification has been conducted. Finally, a preliminary study was conducted on the feasible recycling of the supernatant produced in the precipitation step, reusing it in the first dissolution step supplemented with fresh phosphoric acid. Interesting results were obtained from the precipitation experiments at high temperature, while the use of a co-precipitant posed some problematics and unclear behaviour. The introduction of a second precipitation step leads to a slight overall improvement in decontamination. Preliminary findings suggest that recycling of the liquid phase does not appear to pose significant challenges.

Nell'industria nucleare, lo smantellamento delle strutture nucleari genera significativi volumi di rifiuti metallici contaminati. La decontaminazione di questi rifiuti potrebbe facilitare il riciclo e il riutilizzo delle scorie metalliche, mitigando così l'impatto ambientale associato alle operazioni di smantellamento. Questa tesi è dedicata al potenziamento dell'efficacia di un processo innovativo basato su una tecnologia di decontaminazione con acido fosforico (PHADEC), che prevede una fase di condizionamento, mirata a rimuovere la contaminazione e a condizionarla in una forma di rifiuto durevole. Il processo è composto da quattro fasi. La fase iniziale prevede la dissoluzione di uno strato superficiale del materiale metallico in acido fosforico. Dal primo passaggio si ottiene una soluzione ricca di ferro, che subisce un processo di ossidazione. Le fasi successive consistono in una precipitazione elettrochimica, che produce un fango fosfatico che viene successivamente condizionato in un vetro ferrofosfatico tramite trattamento termico, insieme a una fase liquida, chiamata surnatante, che viene recuperata e riciclata. È stata condotta una prova preliminare presso l'impianto dimostratore fornito al Politecnico di Milano da Ansaldo Nucleare nell'ambito di una collaborazione. Sulla base dei risultati ottenuti dall'impianto, sono stati successivamente condotti test in scala di laboratorio per valutare la possibilità di migliorare la fase di precipitazione, ottimizzando determinati parametri o introducendo nuove soluzioni operative. Sono state condotte attività sperimentali per migliorare le rese di decontaminazione della soluzione ferrica sfruttando alte temperature, una precipitazione elettrochimica multistadio o l'aggiunta di un co-precipitante nella fase di precipitazione elettrochimica. È stato svolto uno studio preliminare per valutare l'impatto di una composizione diversa del fango sulla vitrificazione. Infine, è stato condotto uno studio preliminare sulla possibilità di riciclo del surnatante prodotto nella fase di precipitazione, riutilizzandolo nel primo passaggio di dissoluzione integrato con acido fosforico fresco. Dagli esperimenti di precipitazione ad alta temperatura sono emersi risultati interessanti, mentre l'uso di un co-precipitante ha presentato alcune problematiche e comportamenti non chiari. L'introduzione di un secondo passaggio di precipitazione porta a un lieve miglioramento complessivo della decontaminazione. Le prime conclusioni suggeriscono che il riciclo della fase liquida non sembra presentare grandi criticità.