STAB-SLAK: Onderzoek naar de stabiliteit van plasmaslakken voor oppervlakteberging
Projectoverzicht
Zijn plasmaslakken stabiel en geschikt voor oppervlakteberging? Dat was de centrale onderzoeksvraag van het STAB-SLAK-project, een vijfjarig onderzoeksinitiatief van SCK CEN en NIRAS. Met steun van het Energietransitiefonds van de Federale Overheidsdienst Economie onderzocht het project de langetermijnstabiliteit van plasmaslakken – eindproducten van plasmaverbrandingstechnologie die wordt toegepast bij de (her)conditionering van radioactief afval – op basis van hun chemische samenstelling.
Deze samenwerking vormt een belangrijke mijlpaal in het Belgische programma voor het beheer van radioactief afval.
Bijdrage van SCK CEN
De Expertgroep Afval & Berging van SCK CEN speelde een sleutelrol in het project. Dankzij geavanceerde infrastructuur en diepgaande expertise in karakterisering en behandeling van radioactief afval kon betrouwbare data worden gegenereerd en wetenschappelijk inzicht in het gedrag van plasmaslakken worden verdiept.
Hebt u een project met radioactief afval in gedachten? Wilt u in contact komen met experts in afval en berging? Vul dan het onderstaande contactformulier in.
Wat zijn plasmaslakken?
Plasmaslakken zijn Glass Composite Materials (GCM’s) – verharde residuen die ontstaan bij de hogetemperatuurbehandeling van radioactief afval via plasmaverbranding in combinatie met een verglazingsbad. Hun geschiktheid voor oppervlakteberging hangt af van hun chemisch en fysisch gedrag in cementgebonden, sterk alkalische omgevingen zoals die in bergingsfaciliteiten voorkomen.
🔗Meer info vindt u op deze pagina over plasmatechnologie voor afvalconditionering.
Wetenschappelijke aanpak
Het STAB-SLAK-project had tot doel de belangrijkste parameters te identificeren die van invloed zijn op de langetermijnstabiliteit van GCM’s onder alkalische omstandigheden. Uit de verschillende afvalstromen kunnen GCM’s met uiteenlopende chemische samenstellingen worden geproduceerd. Om relevante resultaten te verkrijgen, was de eerste taak te beoordelen welke afvalstromen in aanmerking zouden kunnen komen voor plasmaverbranding. Met deze informatie werd een lijst opgesteld van de elementen, met hun minimale en maximale concentratie, die in het afval en, na plasmaverbranding, in de GCM’s aanwezig konden zijn. Op basis van deze lijst ontwierp NIRAS een experiment waarin de kritische componenten in de GCM’s systematisch werden gevarieerd, terwijl het aantal te testen plasmaslakken tot een minimum werd beperkt. Ook de afkoelsnelheid van de GCM’s werd als procesparameter meegenomen. Langzamere afkoeling bevordert namelijk de kristalvorming, wat de stabiliteit van de GCM’s kan beïnvloeden. Samen met NIRAS produceerde en testte het onderzoeksteam een breed scala aan slakmonsters met verschillende chemische samenstellingen. Deze monsters ondergingen uitloog- en uitzettingstests onder versnelde omstandigheden om het gedrag op lange termijn te simuleren. Het resultaat is een robuuste dataset die zal bijdragen aan de besluitvorming over de geschiktheid van plasmaverbrandingstechnologie voor het Belgische programma voor het beheer van radioactief afval.
Productie van slakken
Meer dan 30 verschillende GCM’s werden geproduceerd in samenwerking met InsPyro N.V. door mengsels van oxiden – representatief voor afvalcomponenten en fluxen – te smelten in zirkoniumkroezen. Er werden twee afkoelregimes toegepast:
- Snelle afkoeling: simuleert de buitenlagen van een afvalvat, waarbij de warmte snel wordt afgevoerd.
- Trage afkoeling: nabootsing van het centrum van een groot afvalpakket, waar de warmte langzamer wordt afgevoerd.
Deze regimes resulteerden in GCM’s met verschillende combinaties van amorfe en kristallijne fasen, cruciaal voor het begrijpen van het slakgedrag onder omstandigheden die representatief worden geacht voor de omstandigheden bij oppervlakteberging.
Testmethodes
Uitloogtesten
Uitloogtesten of oplossingstesten hebben tot doel de snelheid en het mechanisme te bepalen waarmee een monster zijn samenstellende verbindingen afgeeft. Om de chemische omgeving van een oppervlakteberging te simuleren, werden GCM-korrels van 1–2 mm ondergedompeld in synthetisch cementporiewater (IPM-water) met een pH van 12,5. Om de processen te versnellen, werden de testen uitgevoerd bij 40 °C. Er werden drie soorten tests uitgevoerd:
- Statische testen: de monsters bleven tot een maximum van 91 dagen in contact met de oplossing, waarbij periodiek monsters werden genomen.
- Semi-dynamische testen: bij deze langetermijntesten werd de oplossing om de 91 dagen vernieuwd, terwijl de periodieke bemonstering werd gehandhaafd, om de langzame grondwaterstroming na te bootsen.
- Dynamische testen: een continue stroom van oplossing passeerde langzaam over de slakken, waarbij periodiek monsters werden genomen.
Elementconcentraties (zoals Si, Al, Pb, B, Cu) werden gemeten via ICP-AES, ICP-MS en UV/Vis-spectrofotometrie.
Uitzettesten
GCM-korrels werden gemengd met cement en water en in prismatische vormen gegoten, die vervolgens bij 20 °C werden uitgehard. Vervolgens werd de lengteverandering van de prismatische vormen gedurende 120 dagen gemeten bij een hoge luchtvochtigheid en een temperatuur van 60 °C. Hiermee werd het potentieel van GCM’s voor zwelling en scheurvorming onder alkalische opslagomstandigheden beoordeeld.
Microstructurele analyse
Via SEM-EDX en XRD werd de interne structuur van GCMs vóór en na uitloging onderzocht. Deze analyses maakten het mogelijk om te zien hoe verschillende fasen in de loop van de tijd oplosten, veranderden of neersloegen, wat heeft bijgedragen aan het inzicht in het oplossingsgedrag van de GCM’s. SEM-EDX werd ook toegepast op cement-slakmengsels na de uitzettest om mechanismen op te sporen die het waargenomen gedrag verklaren.
Mechanische sterkte
Buig- en druksterkte van de uitgeharde cement-slakmengsels werd gemeten na afloop van de uitzettest. Een significante sterktedaling wijst op snelle slakoplossing bij contact met cement.
Belangrijkste bevindingen
- Uitlooggedrag is samenstellingsafhankelijk: Boor en lood loogden snel uit; silicium, aluminium en chroom aan een gemiddeld tempo; ijzer en nikkel zeer traag. Elementen werden ingedeeld in snel-, gemiddeld- en traag-uitlogende categorieën.
- Effect van afkoelsnelheid is niet eenduidig: Hoewel tragere afkoeling doorgaans leidt tot meer kristalliniteit, wat zich uit in een tragere oplossing, werd geen duidelijke correlatie met uitlooggedrag vastgesteld.
- Niobium is geen snel uitlogend element, en is mogelijk zelfs een langzaam uitlogend element: Dit is belangrijk voor radiologische veiligheid op lange termijn, aangezien Nb in bepaalde afvalstromen sterk bijdraagt aan de dosis.
- Voorspellende modellering is mogelijk: NIRAS ontwikkelde een statistisch model dat GCM-samenstelling koppelt aan uitlooggedrag. Gemiddelde uitloogsnelheden konden worden voorspeld via MgO/SiO₂- en FeO/SiO₂-verhoudingen en de uitloogcategorie van het element. Een voorlopig model voor uitzetting op basis van SiO₂-gehalte is in ontwikkeling.
Rapporten & technische documentatie
Gedetailleerde wetenschappelijke rapporten zijn beschikbaar:
Volgende stappen: STAB-SLAK 2.0
De eerste fase van STAB-SLAK werd afgerond in mei 2025. Een vervolgproject, STAB-SLAK 2.0, gefinancierd door NIRAS-ONDRAF, is inmiddels gestart. Dit project zal:
- Semi-dynamische en dynamische testen uitbreiden om langetermijntrends te bevestigen.
- Extra semi-dynamische testen uitvoeren op Nb-houdende slakken.
- Voorspellende modellen verfijnen voor gebruik in veiligheidsbeoordelingen.
Een mijlpaal voor het Belgische afvalprogramma
Het STAB-SLAK-project heeft de basis gelegd voor een betrouwbare beoordeling van de stabiliteit op lange termijn van plasmaslakken in oppervlaktebergingsomstandigheden. Dankzij de gezamenlijke expertise van SCK CEN en NIRAS werden belangrijke stappen gezet om dit gedrag onder reële bergingscondities te begrijpen.
SCK CEN heeft daarbij opnieuw zijn rol als hoeksteen van het Belgische programma voor het beheer van radioactief afval bewezen. Deze verwezenlijking onderstreept zowel de onmisbare rol van SCK CEN bij het ondersteunen van nationale inspanningen voor een veilig en duurzaam afvalbeheer, als de waarde van een sterke samenwerking met NIRAS.