Secondary Phases of Spent Nuclear Fuel: Synthesis, Raman Spectra, and Solubility in High-pH Repository Conditions

Sammanfattning

Den långsiktiga säkerheten för slutförvar av förbrukat kärnbränsle beror delvis påden kemiska stabiliteten hos radionuklider under alkaliska förhållanden. I synnerhetkan bildningen av sekundära fasta faser antingen immobilisera eller öka mobilitetenför radionuklider som uran och viktiga fissionsprodukter. Detta examensarbeteundersöker syntes, Raman-karaktärisering och löslighet för sex sådana faser: Na2U2O7, CaUO4, CaU2O7, CaRuO3, Cs2MoO4 och Cs2U2O7. Faserna syntetiserades antingen via kalcinering eller kristallisering in alkaliska förhållanden, och analyserades med röntgendiffraktion (XRD) och Raman-spektroskopi. Hög renhet uppnåddes för Na2U2O7, CaRuO3, Cs2MoO4 och Cs2U2O7 via kalcinering, medan CaUO4 endast kunde framställas i ren form genom kristallisering med Ca(OH)2. CaU2O7 kunde inte isoleras som en ren fas i någon av de prövade metoderna. Lösligheten för de syntetiserade materialen undersöktes i statiska upplösningsexperiment vid pH 11–13, med eller utan tillsats av väteperoxid eller vätekarbonat, i både NaOH och tetrametylammoniumhydroxid (TMAH). Halterna av lösta U, Cs, Mo och Ru analyserades med induktivt kopplad plasma-masspektrometri (ICP-MS). Cs2MoO4 visade högst löslighet under samtliga förhållanden, medan halter av CaRuO3 låg under detektionsgränsen, vilket indikerar mycket låg löslighet. Uranlösligheten ökade generellt med pH, särskilt i TMAH, men val av bas påverkade detta markant, vilket ovannämna tillsatser till viss del också gjorde. Särskilt noterbart var att Cs2U2O7 i NaOH visade låg U-halt och hög Cs-halt i lösning, vilket tyder på in-situ-bildning av Na2U2O7. Resultaten visar att pH, tillsatser och alkaliska katjoner påverkar stabilitet och löslighet hos dessa faser, vilket har betydelse för mobiliseringen av radionuklider i slutförvar.