Stabiliteit van plasmaslakken
De veiligheid van geconditioneerd afval beoordelen
De Belgische afvalbeheerorganisatie NIRAS heeft verscheidene afvalstromen onder haar hoede. Sommigen daarvan zijn historische producties van laag- en middelradioactief afval (LILW) in een cement- of bitumenmatrix. De fysicochemische eigenschappen van dit historisch afval zijn niet altijd compatibel met de oppervlakteberging waarvoor het afval bestemd is. Bovendien is het vaak heel moeilijk, zelfs quasi ondoenbaar om de chemische samenstelling van het afval met voldoende nauwkeurigheid te bepalen. Sinds enige tijd bekijkt NIRAS of plasmaverbranding gekoppeld met een verglazingsbad van dergelijk afval een oplossing kan bieden. Het eindproduct van een dergelijke afvalverwerking zijn de zogenaamde plasmaslakken, te beschouwen als glascomposietmaterialen (GCM’s). GCM’s zijn homogene mengsels van kristallijne fasen ingebed in een amorfe glasmatrix. In sommige gevallen, afhankelijk van de chemische samenstelling, vormen de slakken een bijna volledig amorfe glasmatrix.
De GCM's bevatten geen organisch materiaal en hun fysisch-chemische en radiologische karakterisering is relatief eenvoudig. Plasmatechnologie is daarom veelbelovend voor de herconditionering van historisch afval waarvan moeilijk of onmogelijk kan worden aangetoond dat het voldoet aan de fysisch-chemische conformiteitscriteria van de faciliteit voor oppervlakteberging waar het afval uiteindelijk zal worden geborgen. Daarnaast kan de technologie ook worden toegepast op onbehandeld, niet-geconditioneerd afval.
Om de stabiliteit van deze GCM's in bergingsomstandigheden te beoordelen, is een onderzoeksprogramma opgezet. Daar komt SCK CEN om de hoek kijken. Met onze kennis, expertise en infrastructuur is ons Waste&Disposal-team goed uitgerust om dit soort afval te onderzoeken.
🔗 Bekijk een algemeen overzicht van plasmatechnologie en het beoogde gebruik op de NIRAS-webpagina 'Plasmaonderzoek'.
GCM’s onder de microscoop: inzoomen op stabiliteit en compatibiliteit met eindberging
Hoe stabiel zijn GCM’s op de lange termijn? En zijn ze geschikt voor definitieve berging in een oppervlakteberging? Laten we dieper ingaan op de stabiliteit van deze GCM’s.
De chemische en fysieke stabiliteit van GCM’s bepaalt hoe en onder welke condities het afval op lange termijn veilig ingesloten blijft in de eindberging. De oppervlakteberging te Dessel (Categorie A) voorziet het gebruik van klassieke bouwmaterialen, veelal op basis van cement, en deze bouwmaterialen worden gekenmerkt door hoge pH‑waarden.
Hoe gedragen deze GCM’s zich dus in zo’n cementrijke alkalische omgeving over decennia, eeuwen en zelfs millennia? Hoe snel zullen ingesloten radionucliden vrijkomen? En bestaat er een kans dat hun aanwezigheid zal leiden tot het optreden van processen die de performantie van de bergingssite negatief kunnen beïnvloeden? Deze onderzoeksvragen worden aangepakt door een team van experten.
Kom meer te weten over het STAB‑SLAK onderzoeksproject
In de STAB‑SLAK‑studie hebben we ons gericht op het identificeren van het samenstellingsbereik waarin GCM’s voldoende chemisch en fysisch stabiel blijven, met andere woorden: voldoende bestand tegen oplossen en ongewenste nevenreacties.
Ontdek het STAB‑SLAK‑project: een baanbrekend onderzoeksinitiatief van SCK CEN en NIRAS dat de langetermijnstabiliteit van GCM’s in cementachtige omgevingen onderzoekt.
🔍 Duik in de technische rapportering over uitloogtesten en studies naar expansiegedrag om te begrijpen hoe deze materialen zich gedragen onder bergingsomstandigheden.
Hoe evalueren we de stabiliteit van GCM's op de lange termijn?
Om de stabiliteit op lange termijn te beoordelen van GCM's die ontstaan uit de (her)verwerking van radioactief afval, wordt een reeks laboratoriumtesten uitgevoerd. De condities van dergelijke test zijn zodanig dat ze informatie verschaffen over het gedrag van GCM’s in de omstandigheden van de oppervlakteberging.
Uitlogingstesten
Om te bepalen of deze afvalvormen radionucliden en andere toxische elementen vasthouden, en hoe dat wordt beïnvloed door de samenstelling van het GCM, worden uitlogingstesten uitgevoerd. Hoewel GCM's die elementen wel degelijk inkapselen, is de belangrijkste vraag in hoeverre ze dat voldoende en ook blijven doen onder relevante bergingsomstandigheden.
Daarvoor worden de slakken ondergedompeld in synthetisch cement-poriënwater (IPM-water) met een pH van 12,5 om de sterk alkalische omstandigheden na te bootsen die je kan verwachten op de locatie in de oppervlaktebergingsinstallatie waar deze GCM’s zouden kunnen geplaatst worden. Om het oplossingsproces te versnellen zonder onrealistische effecten te introduceren, worden de testen uitgevoerd bij 40 °C. Statische (zonder verversing van het water), semi-dynamische (met discontinue verversing van het water) en dynamische (met continue verversing van het water) uitlogingstesten worden uitgevoerd om het uitlogingsgedrag van deze vaste stoffen in een dergelijke omgeving te evalueren.
Volumetrische stabiliteit testen
Een geconditioneerde afvalvorm is ook een solide en robuust materiaal.
Om de fysische stabiliteit van slakken in cementgebonden matrices te evalueren, worden gegranuleerde slakmonsters gemengd met cement en water en in de vorm van prisma’s uitgehard bij 20 °C. Daarna wordt de lengteverandering van de uitgeharde prisma's gevolgd gedurende een periode van 120 dagen, waarin de prisma's worden opgeslagen bij een temperatuur van 60 °C en een zeer hoge relatieve luchtvochtigheid. Zo kunnen we beoordelen of de slakken de neiging hebben om uit te zetten in een bergingsomgeving en een risico kunnen vormen voor beschadiging van omliggende systemen en constructies.
Microstructurele analyse
Om een goede karakterisering van de slakafvalvorm te verkrijgen, en het geobserveerde gedrag beter te begrijpen, is microstructurele analyse essentieel.
Bij SCK CEN gebruiken we scanning elektronenmicroscopie met energie-dispersieve röntgenstralenspectroscopie (SEM-EDX) en röntgenstralendiffractie (XRD) om de inwendige structuur van de slakken voor en na de uitloging te onderzoeken. Die analyses geven aan hoe verschillende minerale fasen in de loop van de tijd oplossen, transformeren of neerslaan, wat inzicht geeft in de achterliggende processen. SEM-EDX wordt ook toegepast op de cement-slakkengranulaatmengsels na de 120-daagse expansietest, om zo de geobserveerde expansie, indien die er is, te kunnen toewijzen aan een achterliggend mechanisme.
Mechanische sterkte
Een andere manier om te beoordelen of er processen optreden in de uitgeharde cement-slakgranulaatmengsels tijdens de expansietest is het meten van de buig- en druksterkte van de prisma's aan het begin en einde van de expansietest. Een sterke verandering in sterkte zou kunnen wijzen op een interactie van de slak in nauw contact met cement.
Meer weten over hoe we dit in de praktijk onderzoeken?
Ontdek het project STAB-SLAK en zie hoe we de stabiliteit van plasmaslakken onder de loep nemen om de veiligheid van geconditioneerd afval te garanderen.