Kehittyneet polttoainekierrot UUDET EROTUSTEKNIIKAT KYT2014-seminaari 18.3.2015 Risto Koivula, HYRL www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 1
Kehittyneet polttoainekierrot UUDET EROTUSTEKNIIKAT Tutkimusaihe Tavoitteet Tutkimustyö Tuotteiden synteesi Alustava testaus Karakterisointi Eluutiokokeet Sorptiomekanismin tutkimus Tulos vs. tavoitteet www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 2
Tutkimusaihe Kehittyneet polttoainekierrot sekä suljetut polttoainekierrot Maailmanlaajuista tutkimusta, lukuisia kansainvälisiä ja kansallisia tutkimusohjelmia Ydinpolttoaineen kierrätystä tutkitaan sekä olemassa oleville että tuleville reaktorityypeille P&T-konsepti (partitioning & transmutation) Erotustekniikka ja transmutaatiotekniikan kehitystä Niin suljetun polttoainekierron kuin yleisestikin aktiivisen jätteenkäsittelyn sovelluksiin www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 3
Tutkimusaihe P&T Erotustekniikka Transmutaatiotekniikka Pyrometallurgiset Hydrometallurgiset Kromatografia Ioninvaihtimet Epäorgaaniset Liuotinuutto Muut tekniikat Orgaaniset Tämä hanke www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 4
Tavoitteet I. Asiantuntijan (FT) kouluttaminen erotustekniikan alalle II. Epäorgaanisten ioninvaihtimien luominen aktinidilantanidierotuksiin Klassinen haaste käytetyn polttoaineen fraktioinnissa: kolmenarvoiset aktinidit (Am, Cm) ja lantanidit hyvin samankaltaisia käytökseltään III. Alan kehityksen seuranta (raportit yhteistyössä VTT:n kanssa) www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 5
Alkuperäinen suunnitelma Metallifosfaattien tutkimus aktinidi/lantanidi-erotuksiin 1. Tuotteiden syntetisointi 2. Alustava testaus 3. Yhdisteiden karakterisointi 4. Eluutiokokeet 5. Matriisin vaikutuksen tutkimus 6. Am:n ja Eu:n sorptiomekanismien tutkimus 7. Am:n ja Eu:n sorption mallinnus 8. Erotusprosessien suunnittelu ja arviointi (Flowsheet design) Asiantuntijan (FT) kouluttaminen erotustekniikan alalle FM Elmo W. Wiikinkoski Alan kehityksen seuranta (raportit yhteistyössä VTT:n kanssa) www.helsinki.fi/yliopisto 6
Tuotteiden synteesistä Zr-fosfaatit Kerrosrakenteiset (2D -ZrP) Zr(H2PO4)(PO4)*2H20 Nanohuokoiset (3D -ZrP) Titaani- ja sekafosfaatit TiP, ZrTiP Muut (NH4MoP, SiAlPO, SiSb) Fosfaattien osalta synteesipuolen haasteena ollut alusta asti rakeisen kolonnikelpoisen tuotteen aikaansaaminen Silikaan sidottu 2D ZrP www.helsinki.fi/yliopisto 7
Alustava testaus (jakaantumiskertoimet Eu-152/Am-241 -typpihapossa) 10000000 1000000 100000 Kd 10000 1000 100 Eu, ZrP-1 Am, ZrP-1 Eu, ZrP-4 Am, ZrP-4 Eu, ZrP-2 Am, ZrP-2 10 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ph www.helsinki.fi/yliopisto 8
Am:n ja Eu:n sorptiomekanismien tutkimus Kd 7,0000 6,0000 5,0000 4,0000 3,0000 2,0000 1,0000 y = 2.777x - 0.7359 R² = 0.9631 y = 2.5601x - 1.2038 R² = 0.9863 ZrP-4 0,0000 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00-1,0000 ph Sorptio M 3+ /H + - ioninvaihtoa Lisäksi titrauskokeita (happo-emäs, Nd, Pr): kapasiteetti 6 meq/g log (KEu/H or Am/H) 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 y = 2,546x - 7,6735 y = 2,2266x - 7,6839 Eu Am 2 2,5 3 3,5 pka Yhteys materiaalin happamuuden ja Am/Eu selektiivisyyden kanssa www.helsinki.fi/yliopisto 9
Karakterisointi (PXRD, FTIR, FESEM) Eri menetelmillä valmistettujen tuotteiden rakenne (alfa-zrp) ja koostumus sama Miksi hyvin poikkeavat jakaantumiskertoimet? Exchanger P:Zr-ratio Error Rel. error (%) ZrP-1 2.47 0.05 2.1 ZrP-2 2.37 0.08 3.2 ZrP-4 2.44 0.09 3.6 PXRD FESEM www.helsinki.fi/yliopisto 10
Karakterisointi (PXRD, FTIR, FESEM) Makromuoto FESEM:lla, ZrP-1 (vas) ja ZrP-2/4 levymäisiä rakenteita www.helsinki.fi/yliopisto 11
Alustava testaus (Eu-153/Am- 241-sorptio typpihapossa 10000000 1000000 Erotuskokeet kolonnissa 100000 Kd 10000 1000 100 Eu, ZrP-1 Am, ZrP-1 Eu, ZrP-4 Am, ZrP-4 Eu, ZrP-2 Am, ZrP-2 10 1 Lataus Erotus 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ph www.helsinki.fi/yliopisto 12
Eluutiokokeet ZrP-4 Viimeisin eluutiokoe. Olosuhteet: lataus 0,001 M HNO3/0,1 M NaNO3, eluutio 0,01 HNO3/0,1 NaNO3, petitilavuus 2 ml (1,4 g), eluutionopeus 4 petitil./h Nuklideita ladattu sama määrä (kuvaajassa pinta-ala) aktiivisuutta www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 13
Alkuperäinen suunnitelma Metallifosfaattien tutkimus aktinidi/lantanidi-erotuksiin 1. Tuotteiden syntetisointi 2. Alustava testaus 3. Yhdisteiden karakterisointi 4. Eluutiokokeet 5. Matriisin vaikutuksen tutkimus 6. Am:n ja Eu:n sorptiomekanismien tutkimus 7. Am:n ja Eu:n sorption mallinnus 8. Erotusprosessien suunnittelu ja arviointi (Flowsheet design) Asiantuntijan (FT) kouluttaminen erotustekniikan alalle FM Elmo W. Wiikinkoski Alan kehityksen seuranta (raportit yhteistyössä VTT:n kanssa) S. Häkkinen, E. Wiikinkoski, Kehittyneiden polttoainekiertojen tutkimus maailmalla, VTT-R-00431-15 www.helsinki.fi/yliopisto 14
Kehittyneet polttoainekierrot - Uudet erotustekniikat Projektin päätulos vs. tavoite Löydettiin mielenkiintoisia materiaalisynteesin, happamuuden ja selektiivisyyden välisiä yhteyksiä (1,2,3,6) ja osoitettiin materiaali käytännön erotuskolonneihin ja mallinuklideille soveltuvaksi (4) Mahdollisuus räätälöidä happamuutta/selektiivisyyttä optimaalisen materiaalin valmistamiseksi erotusprosesseihin (yksi seuraavan hankkeen pääaihe) Sovellusalueita laajasti radionuklidien/hivenmetallien sorptiossa Ln/An käytännön erotusprosessien (matriisi 5, prosessi 8) suunnittelu jäivät aikataulusta S. Häkkinen, E. Wiikinkoski, Kehittyneiden polttoainekiertojen tutkimus maailmalla, VTT-R-00431-15 www.helsinki.fi/yliopisto 15
Seuraava hanke Kehittyneet polttoainekierrot Uudet erotustekniikat Kehittyneet polttoainekierrot Uudet säädettävät erotusmateriaalit (SERMAT) Zr-fosfaatti-ioninvaihtimien synteesiolosuhteiden ja selektiivisyyden välisten yhteyksien tutkimus ja optimaalisen aktinidi/lantanidi-erotusmateriaalin ja erotusprosessin kehittäminen. Pääpaino on aktinidien erotuksessa sekundäärijäteliuoksista www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 16
Seuraava hanke Kehittyneet polttoainekierrot Uudet säädettävät erotusmateriaalit (SERMAT) I. systemaattinen synteesiolosuhteiden ja selektiivisyyden välisten yhteyksien tutkimus II. sorptiomekanismien tutkimus, uudet: EXAFS ja LIF III. käytännön erotusprosessien suunnittelu ja optimointi www.helsinki.fi/yliopisto 30.4.2015 17