STAB-SLAK-project onderzoekt of slakken van plasmaverbranding van radioactief afval geschikt zouden kunnen zijn voor oppervlakteberging
Zijn plasmaslakken stabiel genoeg en geschikt voor oppervlakteberging? Dat is de belangrijkste vraag die het STAB-SLAK wilde beantwoorden. SCK CEN en NIRAS hebben vijf jaar lang onderzoek gedaan in het kader van het STAB-SLAK-project, een onderzoeksinitiatief gefinancierd door het Energietransitiefonds van de federale overheidsdienst Economie. Tijdens het project onderzochten ze de stabiliteit op lange termijn van plasmaslakken, het eindproduct van de toepassing van plasmaverbrandingstechnologie voor de (her)conditionering van radioactief afval, in functie van hun chemische samenstelling. Deze samenwerking is een belangrijke mijlpaal in het Belgische programma voor het beheer van radioactief afval.
De rol van SCK CEN: expertise en infrastructuur
De expertisegroep Afval en Berging van SCK CEN speelde een cruciale rol in dit project door gebruik te maken van zijn ultramoderne infrastructuur en diepgaande expertise in de behandeling en karakterisering van radioactief afval. Hun bijdragen waren essentieel om betrouwbare gegevens te genereren en meer wetenschappelijk inzicht te krijgen in het gedrag van plasmaslakken. SCK CEN: een betrouwbare partner in het onderzoek naar afval.
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.
Plasmaslakken bestuderen voor oppervlakteberging
Plasmaslak, een glascomposietmateriaal (GCM), is het verharde residu dat ontstaat uit de verwerking van radioactief afval op zeer hoge temperatuur. Die verwerking gebeurt door plasmatechnologie en inbedding in een glasmatrix te combineren. Het chemische en fysische gedrag van de slak in cementgebonden - en dus alkalische - omgevingen bepaalt of de slak geschikt zou kunnen zijn voor oppervlakteberging, omdat bergingsinstallaties aan het aardoppervlak uit dergelijke omgevingen bestaan.
Het STAB-SLAK-project wilde op zoek gaan naar de belangrijkste parameters die de stabiliteit op lange termijn van GCM's in een oppervlakteberging beïnvloeden. Samen met NIRAS produceerde en testte ons onderzoeksteam een heel aantal slakmonsters met verschillende chemische samenstelling. Die monsters werden onderworpen aan uitlogings- en expansietesten, in omstandigheden die dicht aansloten bij die van een oppervlaktebergingsfaciliteit. Om de processen te versnellen, werden de testen uitgevoerd bij hogere temperaturen dan de verwachtte temperaturen in die bergingsfaciliteit.
🔗 Meer info vindt u op onze speciale pagina over plasmatechnologie voor afvalconditionering.
Een strikte wetenschappelijke aanpak
GCM's met sterk uiteenlopende chemische samenstelling kunnen worden geproduceerd uit verschillende soorten afvalstromen. Om alomvattende resultaten te krijgen moest er dus eerst bepaald worden welke types afval in aanmerking zouden kunnen komen voor een plasmabehandeling. Op basis hiervan werd een lijst gemaakt van chemische elementen, met minimum en maximum concentraties, die in de plasmaslakken zouden kunnen aanwezig zijn. Hiermee ontwierp NIRAS een experiment waarin de kritische componenten in het GCM systematisch gevarieerd werden terwijl het aantal te testen slakken tot een minimum werd beperkt. Daarnaast werd ook de afkoelsnelheid als technische of procesparameter meegenomen. Langzamere afkoeling werkt namelijk bevorderlijk voor de kristallisatie, wat de stabiliteit van het GCM kan beïnvloeden. Er werden uitloog- en expansietesten uitgevoerd en tot in detail geanalyseerd. Het resultaat is een robuuste dataset om de besluitvorming voor de toekomst van deze technologie voor het Belgische programma voor het beheer van radioactief afval te ondersteunen.
Hoe werden deze slakken geproduceerd?
Het projectteam werkte samen met InsPyro N.V. om 30 verschillende GCM's te produceren. Die GCM's werden geproduceerd door mengsels van oxides, bestaande uit afvalcomponenten en fluxen, op hoge temperaturen te smelten in zirkonium smeltkroezen.
Er werden twee verschillende koelingsregimes toegepast:
- Snelle koeling: simulatie van de buitenste lagen van een afvalvat.
- Trage koeling: nabootsing van het centrale deel van een grote afvalcollo, waar de warmte langzamer wordt afgevoerd.
Het resultaat was een diverse reeks van GCM's, elk met een unieke combinatie van amorfe en kristallijne fases in een 15-dimensionale ruimte. Die verschillen in samenstelling en structuur waren essentieel om te begrijpen hoe slakken zich gedragen onder omstandigheden die de verwachte omstandigheden in de oppervlakteberging simuleren.
Hoe hebben we de GCM-monsters getest?
De onderzoekseenheid Afvalcolli (RDW) van SCK CEN leidde het experimentele programma en gebruikte haar unieke infrastructuur om tal van testen uit te voeren:
1. Uitloogtesten
Uitloog- of dissolutietesten hebben tot doel na te gaan hoe snel en op welke manier een monster oplost en zijn bestanddelen afgeeft. Om de chemische omgeving van een oppervlaktebergingssite te simuleren, werden GCM-monsters met een korreldiameter van 1-2 mm ondergedompeld in cement-poriënwater (IPM-water) met een pH van 12,5 en een temperatuur van 40 °C. Er zijn drie soorten testen uitgevoerd om inzicht te krijgen in het oplosgedrag van de monsters op korte en lange termijn:
- Statische testen: de GCM-monsters bleven 91 dagen in contact met de oplossing, met periodieke staalnamen.
- Semi-dynamische testen: in deze langdurige statische testen werd de oplossing om de 91 dagen vervangen, met behoud van het schema van periodieke staalnamen.
- Dynamische testen: een oplossing stroomde langzaam en continu over de slakken en er werden regelmatig stalen van de oplossing genomen om de evolutie van de oplossnelheid in de functie van de tijd te volgen.
De concentraties van elementen (bijv. Si, Al, Pb, B, Cu) werden door de SCK CEN-experten van de groep ‘radiochemische analyses’ gemeten met ICP-AES, ICP-MS, en ionchromatografie. RDW stond zelf in voor de meting van de Si monomeerconcentratie met UV/VIS spectrofotometrie.
2. Volumetrische stabiliteit testen
Tot granulaten vermalen GCM's werden gemengd met cement en water en bij 20 °C uitgehard tot prisma’s. Vervolgens werd de lengteverandering van de prisma's bij een hoge luchtvochtigheid en een temperatuur van 60 °C gedurende 120 dagen opgevolgd. Het opvolgen van de expansie liet toe om te beoordelen of de GCM's zwelling en scheurvorming konden veroorzaken in alkalische bergingsomstandigheden.
3. Microstructurele analyse
Onderzoekers gebruikten SEM-EDX en XRD om de interne structuur van de GCM's voor en na de uitloging te onderzoeken. Die onderzoeken gaven aan hoe verschillende fasen in de loop van de tijd oplosten, veranderden of neersloegen, wat voor meer inzicht heeft gezorgd in het oplosgedrag van de GCM-monsters. SEM-EDX wordt ook toegepast om de cement-slakgranulaatmengsels na de expansietest van 120 dagen te scannen om zo de geobserveerde expansie, als die er is, te kunnen toewijzen aan een achterliggend mechanisme.
4. Mechanische sterkte
Een andere manier om te beoordelen of er schadelijke processen optreden tijdens de expansietesten in de uitgeharde cement-slakgranulaatmengsels is het meten van de buig- en druksterkte van de prisma's aan het einde van de expansietest. Een sterke verandering in de waarden van die parameters zou kunnen wijzen op een interactie tussen de plasmaslak in nauw contact met cement.
Wat hebben we geleerd?
-
Elementen zoals boor en lood loogden sneller uit, silicium, aluminium en chroom loogden met een gemiddeld tempo uit, terwijl ijzer en nikkel heel langzaam uitloogden. Over het algemeen konden de waargenomen elementen worden ingedeeld in de categorieën snelle, gemiddelde en trage uitloging.
-
Het is de algemene verwachting dat lagere afkoelsnelheden voor een hogere kristalliniteit in het monster zorgen. Dat kan leiden tot variaties in het uitlogingsgedrag, zelfs bij monsters met identieke samenstellingen. Voor de STAB-SLAK-monsters werd echter geen significant verband tussen afkoelsnelheid en uitlogingsgedrag vastgesteld.
-
Dit is belangrijk voor de radiologische veiligheid op lange termijn, aangezien voor sommige afvalstromen Nb een belangrijke bijdrage levert aan de dosis voor de mens.
-
Bovendien bleven de buig- en druksterkte van de prisma's aan het einde van de volumetrische stabiliteitstesten erg hoog. Deze parameters werden niet beïnvloed door het oplosgedrag van de slakken in contact met cement.
🔗 Gedetailleerde rapportering en technische details vindt u hier:
De volgende stap?
De eerste fase van STAB-SLAK is in 2025 afgerond maar het werk is nog niet voorbij. Het vervolgproject, STAB-SLAK 2.0, gefinancierd door NIRAS, is al van start gegaan. Het project zal:
- semi-dynamische en dynamische testen uitbreiden om trends op de lange termijn te bevestigen;
- bijkomende semi-dynamische testen uitvoeren op slakken met niobium;
- de voorspellende modellen verfijnen om ze bij de beoordelingen van toepasbaarheid van plasmatechnologie te gebruiken.
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.
