Optimizing graphite-moderated reactors decommissioning and waste management : a multidisciplinary approach

In this Ph.D. thesis, the focus is on the optimization of the dismantling activities and waste management processes associated with graphite-moderated reactors decommissioning. The study encompasses all three critical phases of a decommissioning program, namely: characterization, dismantling operations, and waste management and reduction, with a particular emphasis on addressing challenges posed by irradiated and damaged graphite bricks. In the characterization phase, the research involves optimizing sample creation and streamlining mechanical testing procedures, specifically for graphite flexural and compressive strength. Additionally, a correlation is established between graphite Vickers microhardness and its Young’s modulus, flexural, and compressive strength, providing an in-situ characterization tool. This data is then utilized to enhance a graphite FEM model for more accurate stress analysis. The second phase introduces the development and testing of an advanced graphite grabbing system. The design process is validated using the aforementioned FEM model and a digital twin developed in Adams view. The subsequent prototyping and testing campaign demonstrate a safety factor exceeding 3 for the first mock-up, showcasing the innovative grabbing system's superiority over previous industrial solutions. The system and its associated process are currently pending patent, and a startup, GraphiCore, is in the process of establishment based on this device. The final segment of the Ph.D. research delves into graphite decontamination using molten fluoride salts, focusing on both fission and activation product decontamination. Notably, the study reveals no preferential decontamination for 14C. Remarkably, over 100% removal efficiency is achieved for 54Mn and 137Cs, and approximately 30% removal for 134Cs and 60Co in less than one hour of cumulative treatment, reaching current densities twelve times higher than previously reported results. The decontamination process managed to reduce the specific activity of the graphite sample by 10% in less than an hour, marking a significant advancement in the field of graphite decontamination.

In questa tesi di dottorato, l'ottimizzazione dei processi di decommissioning e gestione dei rifiuti relativi sui reattori moderati a grafite è oggetto di studio. La ricerca copre tutte e tre le fasi cruciali di un programma di decommissioning: caratterizzazione, operazioni di smantellamento e gestione e riduzione dei rifiuti, con un'attenzione particolare alle sfide poste dai blocchi di grafite irraggiati e danneggiati. Nella fase di caratterizzazione, la ricerca coinvolge l'ottimizzazione della creazione di campioni e la semplificazione delle procedure dei test meccanici, in particolare per la resistenza a flessione e compressione della grafite. Inoltre, viene stabilita una correlazione tra la microdurezza Vickers della grafite e il suo modulo di Young, la resistenza a flessione e a compressione, fornendo uno strumento di caratterizzazione in-situ. Questi dati vengono poi utilizzati per perfezionare un modello FEM della grafite per un'analisi più accurata dello stress. La seconda fase introduce lo sviluppo e la campagna di test di un avanzato sistema di presa della grafite. Il processo di progettazione è validato in utilizzando il suddetto modello FEM e un gemello digitale sviluppato in Adams view. La successiva campagna di prototipazione e test mostra un fattore di sicurezza superiore a 3 per il primo modello, dimostrando la superiorità del sistema di presa rispetto alle soluzioni industriali precedenti. Attualmente, il dispositivo e il processo associato sono in attesa di brevetto, e una startup, GraphiCore, è in fase di costituzione basandosi su questa tecnologia sviluppata. L'ultima parte delle attività di dottorato riguarda la decontaminazione della grafite utilizzando Sali fusi ai fluoruri. Sono studiate le decontaminazioni dei prodotti di fissione e di attivazione. Non è stata osservata alcuna decontaminazione preferenziale per il 14C. Si è raggiunta un'efficienza di rimozione superiore al 100% per il 54Mn e il 137Cs, e circa il 30% per il 134Cs e il 60Co in meno di un'ora di trattamento cumulativo, utilizzando densità di corrente dodici volte superiori rispetto ai risultati precedentemente ottenuti in letteratura. Il processo di decontaminazione è riuscito a ridurre l'attività specifica del campione di grafite del 10% in meno di un'ora, segnando un significativo progresso nel campo della decontaminazione della grafite.