Synthesis, characterisation and corrosion behaviour of simulant Chernobyl nuclear meltdown materials

Understanding the physical and chemical properties of materials arising from nuclear meltdowns, such as the Chernobyl and Fukushima accidents, is critical to supporting decommissioning operations and reducing the hazard to personnel and the environment surrounding the stricken reactors. Relatively few samples of meltdown materials are available for study, and their analysis is made challenging due to the radiation hazard associated with handling them. In this study, small-scale batches of low radioactivity (i.e., containing depleted uranium only) simulants for Chernobyl lava-like fuel-containing materials (LFCMs) have been prepared, and were found to closely approximate the microstructure and mineralogy of real LFCM. The addition of excess of ZrO2 to the composition resulted in the first successful synthesis of high uranium–zircon (chernobylite) by crystallisation from a glass melt. Use of these simulant materials allowed further analysis of the thermal characteristics of LFCM and the corrosion kinetics, giving results that are in good agreement with the limited available literature on real samples. It should, therefore, be possible to use these new simulant materials to support decommissioning operations of nuclear reactors post-accident

The effect of gamma radiation on structure of struvite-К

The effect of gamma radiation upon functional characteristics of nanostructural struvite-K is analyzed. Spectra of absorption struvite-K have been measured in infra-red area. Results of a microstructure of samples after of a gamma irradiation to a dose 1.35·10⁵Gy are described. It has shown that after gamma irradiation the phase composition of the sample essentially does not change, and there is a crystallization of amorphous phosphate and the structural or-dering of struvite-K and magnesite occurs.Аналізується вплив гамма-випромінювання на функціональні характеристики наноструктурного струвіту-K. Були виміряні спектри поглинання струвиту-K в інфрачервоній області. Описано результати мікроструктури зразків після гамма-опромінення до дози 1.35·10⁵Град. Було показано, що після гамма-опромінення фазовий склад зразка істотно не змінюється, а відбувається кристалізація аморфного фосфату і структурне впорядкування струвіту-К і магнезиту.Анализируется влияние гамма-излучения на функциональные характеристики наноструктурного струвита-K. Были измерены спектры поглощения струвита-K в инфракрасной области. Описаны результаты микроструктуры образцов после гамма облучения до дозы 1.35·10⁵Град. Было показано, что после гамма-облучения фазовый состав образца существенно не меняется, а происходит кристаллизация аморфного фосфата и структурное упорядочение струвита-К и магнезита

Cesium immobilization into potassium magnesium phosphate matrix

The possibility of isomorphous substitution of potassium ions by cesium ions in the structure of potassium magnesium phosphate KMgPO₄ ∙ 6H₂O (PMP) was shown. It was established, that the Cs included into the PMP matrix does not transfer to the environment during high temperatures heating process (1176 ºС, 3 hours). Analysis of the IR absorption spectrum of the PMP sample has demonstrated that an increase in the amount of additive of the cesium chloride resulted in the shift of the main bands in the spectrum to the low-frequency region with average shift value 10 cm⁻¹, which indicates the strengthening of bonds in the crystal lattice of matter. The calculated degree of substitution of potassium by cesium during energy release process in the PMP matrix at the level of vitrified high level wastes is about 4%, i. e. the PMP matrix should correspond to the formula K₀̦₉₆Cs₀̦₀₄MgPO₄ · 6H₂O.Показана можливість ізоморфного заміщення іонів калію в структурі калій-магнієвого фосфату KMgPO₄ ∙ 6H₂O (КМФ) на іони цезію. Встановлено, що включений в КМФ-матрицю Cs не виходить у навколишнє середовище при нагріванні до високих температур (1176 °С, 3 год). Аналіз ІЧ-спектра поглинання КМФ-зразка показав, що зі збільшенням кількості добавки хлориду цезію основні смуги в спектрі відчувають зрушення в низькочастотну область, величина якої в середньому становить ~ 10 см⁻¹, що свідчить про посилення зв'язків у кристалічній решітці речовини. Розрахована ступінь заміщення калію на цезій при енерговиділенні в КМФ-матриці на рівні осклованих високоактивних відходів складає ~ 4%, тобто КМФ-матриця повинна відповідати формулі K₀̦₉₆Cs₀̦₀₄MgPO₄ · 6H₂O.Показана возможность изоморфного замещения ионов калия в структуре калий-магниевого фосфата KMgPO₄ ∙ 6H₂O (КМФ) на ионы цезия. Установлено, что включенный в КМФ-матрицу Cs не выходит в окружающую среду при нагревании до высоких температур (1176 ºС, 3 ч). Анализ ИК-спектра поглощения КМФ-образца показал, что с увеличением количества добавки хлорида цезия основные полосы в спектре испытывают сдвиг в низкочастотную область, величина которого в среднем составляет ~ 10 см⁻¹, что свидетельствует об усилении связей в кристаллической решетке вещества. Рассчитанная степень замещения калия на цезий при энерговыделении в КМФ-матрице на уровне остеклованных высокоактивных отходов составляет ~ 4%, т. е. КМФ-матрица должна соответствовать формуле K₀̦₉₆Cs₀̦₀₄MgPO₄ · 6H₂O

Phase composition, structure, corrosion and radiation resistance of synthesized Ca₁₀(PO₄)₆F₂ and Ca₉Sr(PO₄)₆F₂ fluorapatites

The effect of electron irradiation (E up to 10 MeV) on the phase composition, structure, and corrosion resistance of synthesized fluorapatite was investigated in the study. Powders of calcium Ca₁₀(PO₄)₆F₂ and strontium-containing Ca₉Sr(PO₄)₆F₂ fluorapatites were synthesized by the method of co-precipitation from the solutions of the initial components. The samples of fluorapatite with a maximum value of the relative density (90-92 %) were produced by sintering in air at a temperature of 1250 °C for 6 h. The secondary phase of tricalcium phosphate α-Ca₃(PO₄)₂ in the resulting samples was observed. Increasing the heat treatment time up to 9 h leads to a disorder in the structure of the fluorapatite. XRD analysis of glass-ceramic fluorapatite samples after electron irradiation process has shown the lines of fluorapatite and &qout;halo&qout; in the diffractogram, which indicates amorphization of fluorapatite samples. It has been established that electron irradiation to absorbed dose of 108 Gy does not significantly affect the corrosion resistance of the obtained fluorapatite samples

Сorrosion and radiation resistance of potassium magnesium phosphate matrices

Corrosion and radiation resistances of potassium magnesium phosphate (PМP) matrices for hardening of liquid radioactive wastes of NPP were investigated. The high corrosion resistance of the PMP matrices to leaching of both basic components of matrix and cesium was shown. Results of performed work showed stability of physics and mechanical properties, as well as phase composition and microstructure of PMP after simulated γ-irradiation up to the absorbed dose 10⁸ rad. It was determined that irradiation by high-energy electrons to the absorbed dose 10¹⁰ rad results in partial dehydration and amorphization of PMP.Досліджена корозійна та радіаційна стійкість калій-магній-фосфатних (КМФ) матриць для затвердіння рідких радіоактивних відходів АЕС. Показана висока корозійна стійкість КМФ-матриць до вилуговування як основних компонентів матриці, так і цезію. Результати виконаної роботи показали стійкість фізичних та механічних властивостей, а також фазового складу і мікроструктури КМФ після імітації γ-опроміненням до поглиненої дози 10⁸ рад. Було встановлено, що опромінення високоенергетичними електронами до поглиненої дози 10¹⁰ рад призводить до часткової дегідратації та аморфізації КМФ.Исследована коррозионная и радиационная стойкость калий-магний-фосфатных (КМФ) матриц для отверждения жидких радиоактивных отходов АЭС. Показана высокая коррозионная стойкость КМФ-матриц к выщелачиванию как основных компонентов матрицы, так и цезия. Результаты выполненной работы показали устойчивость физических и механических свойств, а также фазового состава и микроструктуры КМФ после имитации γ-облучением до поглощенной дозы 10⁸ рад. Было установлено, что облучение высокоэнергетическими электронами до поглощенной дозы 10¹⁰ рад приводит к частичной дегидратации и аморфизации КМФ

Hot isostatic pressing of potassium-magnesium-phosphate materials for cesium immobilization

High-density potassium-magnesium phosphates (PMP), produced by hot isostatic pressing (HIP) at temperature of 900°C and pressures of 200 and 400 MPa, are promising materials for the immobilization of radioactive cesium. The maximum density of PMP samples was obtained after HIP at pressure of 400 MPa, 900° and holding time of 1 h, and PMP + 10 wt. % CsCl samples at 200 MPa, 900° and 1 h. The resulted materials possess monophase monoclinic structure of potassium-magnesium monophosphate α-KMgPO₄. The possibility of PMP materials to incorporate cesium into its structure by substitution with potassium has been studied by X-ray phase analysis and laser mass spectrometry methods using. The homogeneous fine-crystalline structure of ceramic PMP and PMP + 10 wt.% CsCl samples after HIP was analyzed by scanning electron microscopy method