Improvement of the advanced PHADEC-based technology for nuclear metallic waste

During the decommissioning of nuclear power plants, large volumes of both conventional and radioactive waste are generated, among which metallic scraps deserve special attention. Indeed, these metallic components are only superficially contaminated through contact with radioactive materials adhering to their surfaces. Therefore, if treated with a proper decontamination process, large volumes of valuable metallic materials can be recycled, thereby reducing the volume of radioactive waste and promoting a more sustainable strategy. The present thesis work focuses on improving the Advanced PHADEC-based technology that enables the decontamination of metallic scrap and the subsequent conditioning in a stable glassy matrix of the radioactivity content removed. The objectives of the project thesis are related to the improvement of the decontamination efficiency to obtain a highly contaminated phosphate sludge and demonstration of its successful vitrification, addressing the need for more sustainable waste treatments. The methodology applied involved preparing i) ferrous solutions simulating the metallic scrap decontamination, ii) ferric solutions following the oxidation stage of the Advanced PHADEC-based protocol, iii) phosphate sludges containing stable contaminants by precipitation and iv) iron-phosphate glass by vitrification at 1100 °C. All the process products were fully characterized by different techniques to monitor key parameters. Optimal process parameters were determined based on precipitation yield and decontamination percentages for the contaminants considered (Co, Cs, Ni, Sr). Finally, vitrification experiments were performed and the chemical stability of the phosphate glasses obtained was assessed by analyzing the Fe/P ratio using XRF analysis. Results demonstrated that the process is both effective and applicable, achieving precipitation yields above 50% and the iron phosphate glasses produced showed compositions of about 52% P₂O₅ and 45% Fe₂O₃, values close to the optimal range for assuring the highest chemical stability of the glass waste form. Recycling spent acidic solutions was attempted and contributed to further improving decontamination performance and reducing the need for fresh acid per unit mass of treated metallic components. Experiments on process scale-up highlighted the need to further adjust the parameters optimized at lab scale. In conclusion, significant improvements in the application of the Advanced PHADEC-based approach have been achieved, strongly suggesting that it could be a practical, cost-effective, and sustainable alternative for managing contaminated metallic materials.

Durante lo smantellamento delle centrali nucleari vengono generati grandi volumi di rifiuti convenzionali e radioattivi, tra i quali i rottami metallici meritano particolare attenzione. Questi componenti risultano infatti solo superficialmente contaminati dal contatto con materiali radioattivi aderenti alle superfici. Se trattati con un adeguato processo di decontaminazione, grandi quantità di materiali metallici di valore possono essere riciclate, riducendo il volume dei rifiuti radioattivi e promuovendo strategie più sostenibili. Il presente lavoro di tesi si concentra sul miglioramento della tecnologia Advanced PHADEC-based, che consente la decontaminazione dei rottami metallici e il successivo condizionamento della radioattività rimossa in una matrice vetrosa stabile. Gli obiettivi riguardano l’aumento dell’efficienza di decontaminazione, ottenendo un fango fosfatico altamente contaminato e dimostrandone la riuscita vetrificazione, in risposta alla necessità di trattamenti più sostenibili. La metodologia ha previsto: i) soluzioni ferrose per simulare la decontaminazione, ii) soluzioni ferriche dopo la fase di ossidazione del protocollo Advanced PHADEC-based, iii) fanghi fosfatici con contaminanti stabili mediante precipitazione, e iv) vetro ferro-fosfatico tramite vetrificazione a 1100 °C. Tutti i prodotti di processo sono stati caratterizzati con diverse tecniche per monitorare i parametri chiave. I parametri ottimali sono stati determinati in base alle rese di precipitazione e alle percentuali di decontaminazione dei contaminanti (Co, Cs, Ni, Sr). Infine, sono stati condotti esperimenti di vetrificazione e la stabilità chimica dei vetri ottenuti è stata valutata tramite il rapporto Fe/P con tecnica XRF.I risultati hanno dimostrato che il processo è efficace e applicabile, con rese di precipitazione superiori al 50%. I vetri ferro-fosfatici prodotti hanno mostrato composizioni di circa 52% P₂O₅ e 45% Fe₂O₃, valori prossimi all’intervallo ottimale per garantire la massima stabilità chimica della forma vetrosa di scoria. È stato inoltre tentato il riciclo delle soluzioni acide esauste, che ha migliorato l’efficienza di decontaminazione e ridotto il fabbisogno di acido fresco per unità di massa trattata. Gli esperimenti di scale-up hanno evidenziato la necessità di ulteriori aggiustamenti dei parametri ottimizzati in scala di laboratorio. In conclusione, sono stati ottenuti miglioramenti significativi nell’applicazione dell’approccio Advanced PHADEC-based, suggerendo che esso possa rappresentare un’alternativa pratica, economica e sostenibile per la gestione dei materiali metallici contaminati.