Study of the effects of gamma irradiation on the behavior of radioactive waste containment matrices

{Magnesium Phosphate Cement (MPC) and Geopolymer (GP) are materials recently proposed for applications in the nuclear field. To validate the application of these new materials for radioactive waste conditioning, investigating their stability under irradiation is essential, and it is a requirement of the waste management regulatory bodies. This work addresses several key points: understanding possible modifications of the MPC and GP microstructure and crystalline phase under irradiation; in particular, assessing the combined effects of irradiation on MPC samples containing metals, as well as the encapsulation of oil within GP. These modifications were investigated by several analytical techniques. Furthermore, the effects of irradiation on hydrogen release and mechanical and leaching properties were tested to verify the compliance with waste acceptance criteria. The analyses revealed good structural integrity and robustness for both MPC and GP under irradiation. The addition of aluminum acted as a reinforcement fiber in MPC samples, increasing compressive strength by 10 MPa for each 10 v.% of aluminum added compared with reference samples, without compromising other durability properties such as leaching resistance. No releases were recorded during leaching of the samples with 30 v.% oil, confirming the suitability of the GP for waste streams containing organic substances. Overall, both MPC and GP demonstrated remarkable resilience under gamma irradiation. The results fill part of the knowledge gap on the irradiation performance of magnesium-phosphate and aluminosilicate-based binders and support their consideration as viable alternatives to ordinary Portland cement in nuclear decommissioning.

Il cemento magnesio-fosfato (MPC) e i geopolimeri (GP) sono materiali recentemente proposti per applicazioni nel settore nucleare. Per convalidare l'applicazione di questi materiali per il condizionamento dei rifiuti radioattivi, è essenziale studiarne la stabilità sotto irraggiamento, come richiesto dagli enti regolatori. Questo lavoro affronta diversi punti chiave: comprendere le possibili modifiche della microstruttura e delle fasi cristalline dell'MPC e del GP sotto irraggiamento; valutare gli effetti combinati dellírraggiamento su campioni di MPC contenenti metalli, nonché l'incapsulamento di olio all'interno del GP. Queste modifiche sono state studiate mediante diverse tecniche analitiche. Inoltre, sono stati testati gli effetti dell'irraggiamento sul rilascio di idrogeno e sulle proprietà meccaniche e di lisciviazione per verificare la conformità ai criteri di accettazione dei rifiuti. Le analisi hanno rivelato una buona integrità strutturale e robustezza sia per l'MPC che per il GP sotto irraggiamento. L'aggiunta di alluminio ha agito come fibra di rinforzo nei campioni di MPC, aumentando la resistenza alla compressione di 10 MPa per ogni 10 v.% di alluminio aggiunto rispetto ai campioni di riferimento, senza compromettere altre proprietà di durevolezza come la resistenza alla lisciviazione. Non si sono registrati rilasci durante il leaching dei campioni con il 30 v.% di olio, confermando l'idoneità del GP per il condizionamento di rifiuti contenenti sostanze organiche. Nel complesso, sia l'MPC che il GP hanno dimostrato una notevole resilienza sotto irraggiamento gamma. I risultati colmano parte della bibliografia sulle prestazioni di irraggiamento dei leganti a base di magnesio-fosfato e alluminosilicato e ne supportano l’impiego come valide alternative al cemento Portland ordinario nel condizionamento dei rifiuti nucleari.