Development characterisation of novel phosphate-based geopolymers for radioactive waste management

One of the main drawbacks of nuclear power is the production of various types of radioactive waste whose management and disposal entail challenging tasks. Acid-activated geopolymers have recently attracted great interest as conditioning matrices for the disposal of different challenging radioactive wastes, offering superior properties in terms of compressive strength, thermal stability, sorption capacity, and waste compatibility. This thesis, developed in the framework of the EU co-funded EURAD-2 partnership, aims to bridge the gaps concerning setting, mechanical, and leaching properties of phosphate-based geopolymers (PGPs) produced by the interaction between a phosphoric acid solution and aluminosilicate precursors. The influence of the activator concentration and curing temperature on PGP performances was assessed. A particular focus was put on fly ash-only matrices: the use of this industrial by-product as a precursor aims at reducing the environmental footprint and promotes circular economy. Besides mechanical performances, the leaching behaviour of some radiologically relevant and challenging nuclides, i.e. Cs for cations, and Se, I, and Mo for anions, was assessed to investigate matrix-contaminants compatibility. Precursor-activator interaction was studied and the obtained results allowed to determine their optimal dosage for this fly ash-based formulation. Although most specimens exhibited a suitable compressive strength for several regulators, they did not satisfy the Italian waste acceptance criteria (WAC). Hence, the formulation was duly modified by adding other precursors, i.e. volcanic tuff and metakaolin, to meet both Italian WAC set for mechanical compressive strength and Cs retention. Different characterisation techniques were exploited to investigate physical and thermal properties, morphology, phases, and elemental compositions of the novel PGPs. Ideal conditions for different PGPs formulations have been identified and encouraging results arising from Cs and Mo leaching experiments have been pointed out. Future developments concern the fine-tuning of the formulation and the study of multi-stage thermal curing.

Uno dei principali svantaggi dell’energia nucleare è la produzione di rifiuti radioattivi la cui gestione e smaltimento pongono sfide complesse. I geopolimeri acidi hanno recentemente suscitato grande interesse come matrici di condizionamento, grazie a migliore resistenza a compressione, stabilità termica, e compatibilità con il rifiuto. Questa tesi, sviluppata nell’ambito del progetto EURAD-2 cofinanziato dall’Unione Europea, indaga il possibile utilizzo di geopolimeri fosfatici (PGP), ottenuti dall’interazione tra acido fosforico e precursori alluminosilicati, innovativi per il condizionamento di rifiuti radioattivi. L’influenza della concentrazione dell’attivatore e della temperatura di stagionatura sulle proprietà dei PGP è stata valutata. Particolare attenzione è stata posta su matrici a base di sola cenere volante: l’impiego di questo scarto industriale riduce l’impatto ambientale e favorisce l’economia circolare. Oltre alle prestazioni meccaniche, è stato analizzato il comportamento a lisciviazione di nuclidi problematici e radiologicamente rilevanti, come Cs per i cationi e Se, I e Mo come anioni, al fine di valutare la compatibilità matrice-contaminanti. L’interazione attivatore-precursore è stata studiata e i risultati hanno consentito di determinare un dosaggio ottimale per la formulazione a base di cenere volante. Sebbene diversi provini abbiano mostrato resistenze a compressione adeguate per vari enti regolatori, non hanno soddisfatto i requisiti minimi (WAC) italiani. Per questo motivo le formulazioni sono state modificate con altri precursori, cioè tufo vulcanico e metacaolino, così da rispettare i WAC italiani per resistenza meccanica e ritenzione del Cs. Tecniche di caratterizzazione sono state impiegate per analizzare proprietà fisiche e termiche, morfologia, composizione elementale e delle fasi mineralogiche dei nuovi PGP. Le condizioni ottimali per le diverse formulazioni sono state identificate e i test di lisciviazione hanno fornito risultati promettenti. Sviluppi futuri riguardano il perfezionamento delle formulazioni e lo studio di processi di stagionatura termica multistadio.