CH633499A5 - Nonporous glass composition containing a radioactive material in the form of oxides or of elements which is embedded and immobilised by chemical binding in the glass matrix - Google Patents
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Description
La présente invention concerne une composition de verre non poreux contenant une matière radioactive sous forme d'oxydes ou d'éléments enrobée et immobilisée par fixation chimique dans la matrice de verre, un procédé de production de ladite composition et une utilisation de la nouvelle composition. The present invention relates to a non-porous glass composition containing a radioactive material in the form of oxides or elements coated and immobilized by chemical fixation in the glass matrix, a process for producing said composition and a use of the new composition.
L'évacuation de grandes quantités de déchets hautement radioactifs produits dans le retraitement d'un combustible de réacteur de puissance usé est un problème d'une importance considérable pour l'utilisation de l'énergie nucléaire. Il est généralement admis que la technique la plus prometteuse consiste à transformer ces déchets radioactifs en une forme solide sèche qui rendra ces déchets chimiquement, thermiquement et radiolytiquement stables. Ce problème de stabilité d'une forme solide sèche est en relation étroite avec la sécurité de la vie humaine sur la terre pour une période de plus de 20 000 ans. Par exemple, les déchets radioactifs contiennent les isotopes Sr90, Pu 240 et Cs137 dont les demi-vies sont respectivement de 29 ans, de 66 000 ans et de 30 ans. Ces isotopes constituent à eux seuls une menace importante pour la vie et doivent être mis sous une forme solide sèche qui sera stable pendant des milliers d'années. La forme solide des déchets radioactifs doit être capable de maintenir les isotopes radioactifs immobilisés pendant ce laps de temps, de préférence même en présence d'un environnement d'eau. The disposal of large quantities of highly radioactive waste produced in the reprocessing of spent power reactor fuel is a problem of considerable importance for the use of nuclear energy. It is generally accepted that the most promising technique is to transform this radioactive waste into a dry solid form which will make this waste chemically, thermally and radiolytically stable. This problem of stability of a dry solid form is closely related to the security of human life on earth for a period of more than 20,000 years. For example, radioactive waste contains the isotopes Sr90, Pu 240 and Cs137, the half-lives of which are 29 years, 66,000 years and 30 years, respectively. These isotopes alone pose a significant threat to life and must be put into a dry solid form that will be stable for thousands of years. The solid form of radioactive waste should be able to keep the radioactive isotopes immobilized during this time, preferably even in the presence of a water environment.
Un procédé pour fixer des matières radioactives sous une forme solide sèche ayant une haute résistance au lessivage et à d'autres formes d'attaque chimique serait utilisable non seulement pour l'évacuation de résidus nucléaires radioactifs, mais aussi pour la fabrication de sources radioactives utiles dans l'industrie, en médecine et au laboratoire. A method for fixing radioactive material in a dry solid form having a high resistance to leaching and other forms of chemical attack would be usable not only for the disposal of radioactive nuclear residues, but also for the manufacture of useful radioactive sources in industry, medicine and the laboratory.
Il n'existe actuellement aucun moyen pratique, à l'épreuve des fausses manœuvres, pour l'évacuation, le stockage et l'immobilisation sûrs de déchets radioactifs pernicieux. Les récipients de stockage actuels n'assurent pas un isolemtnt et une immobilisation suffisants de la matière radioactive, une résistance à long terme suffisante à l'attaque chimique par l'environnement et une stabilité suffisante à température élevée. There is currently no practical, tamper-proof means for the safe disposal, storage and immobilization of harmful radioactive waste. Current storage containers do not provide sufficient isolation and immobilization of radioactive material, sufficient long-term resistance to chemical attack by the environment and sufficient stability at elevated temperatures.
Une technique actuelle est celle dite des matières solides sèches qui comporte la fixation des déchets dans des verres par des techniques de fusion du verre. Cette technique fournit une certaine amélioration concernant l'isolement et une diminution de la vitesse de libération des éléments radioactifs quand les enveloppes extérieures ou les récipients sont détruits. De plus, les verres restent relativement plus stables aux températures élevées que les matières plastiques et sont généralement plus durables chimiquement dans des solutions salines que ne le sont les métaux. Des verres ayant une haute durabilité aux produits chimiques et de faibles conductivités des ions de métaux alcalins sont fondus à des températures très élevées, par exemple de 1800°C et plus. Ces procédés de fusion à température élevée sont économiquement mauvais et, de plus, sont dangereux en raison de la volatilisation de matières radioactives pernicieuses. En raison de la difficulté d'ensemble de manipulation des matières radioactives et spécialement en raison du danger de volatilisation de matière radioactive dans l'atmosphère, on a cherché à utiliser des verres ayant des températures de fusion relativement basses, c'est-à-dire à utiliser des verres ayant une teneur en Si02 aussi basse que de 27% en poids. Bien que le problème de volatilisation des matières radioactives ait été ainsi réduit, il n'a pas été complètement maîtrisé. De plus, la composition de verre résultante présente une durabilité chimique grandement réduite et des vitesses de diffusion ionique accrues pour les matières radioactives s'y trouvant présentes. Plus cette vitesse de diffusion est grande, moins bonne est la capacité du verre de maintenir les matières radioactives immobilisées dans sa matrice. Pour l'emprisonnement de longue durée des déchets radioactifs, exigé par les normes actuelles, ces compositions de verre étaient insuffisantes. De plus, les matières radioactives gazeuses ne sont pas emprisonnées du tout ou ne le sont qu'en très petites quantités par les procédés ci-dessus. A current technique is that known as dry solids which involves fixing the waste in glasses by glass melting techniques. This technique provides some improvement in isolation and a decrease in the rate of release of radioactive elements when the outer envelopes or containers are destroyed. In addition, glasses remain relatively more stable at high temperatures than plastics and are generally more chemically durable in saline solutions than are metals. Glasses with high chemical durability and low conductivities of alkali metal ions are melted at very high temperatures, for example 1800 ° C and above. These high temperature melting processes are economically bad and, moreover, are dangerous due to the volatilization of pernicious radioactive materials. Because of the overall difficulty in handling radioactive materials and especially because of the danger of volatilization of radioactive material in the atmosphere, attempts have been made to use glasses having relatively low melting temperatures, i.e. say to use glasses with an SiO2 content as low as 27% by weight. Although the problem of volatilization of radioactive materials has thus been reduced, it has not been completely controlled. In addition, the resulting glass composition exhibits greatly reduced chemical durability and increased ion diffusion rates for the radioactive materials present therein. The greater this diffusion rate, the poorer the ability of the glass to keep the radioactive materials immobilized in its matrix. For the long-term imprisonment of radioactive waste, required by current standards, these glass compositions were insufficient. In addition, the gaseous radioactive materials are not trapped at all or are only trapped in very small amounts by the above methods.
Comme on le verra ci-après d'après les divers aspects des contributions des titulaires à la technique, on prévoit de nouveaux procédés pour obtenir de nouvelles compositions et de nouveaux articles pour l'emprisonnement de matières radioactives pernicieuses et dangereuses pendant des périodes extraordinairement longues. A la différence des techniques d'emprisonnement par fusion de verre, les procédés selon l'invention n'ont pas besoin de comporter d'étapes quelconques qui exposeraient la matière radioactive à des températures supérieures à 900° C environ, éliminant ainsi le danger pour l'environnement résultant de la volatilisation de matière radioactive dans l'atmosphère. De plus, on prévoit de nouveaux procédés pour la fixation et l'immobilisation de déchets gazeux radioactifs comme Kr, I, Xe, Ra, etc., dans une matrice de verre. As will be seen below from the various aspects of the holders' contributions to the art, new methods are provided for obtaining new compositions and articles for the imprisonment of pernicious and dangerous radioactive material for extraordinarily long periods of time. . Unlike the glass fusion imprisonment techniques, the methods according to the invention do not need to include any steps which would expose the radioactive material to temperatures above about 900 ° C, thereby eliminating the danger for the environment resulting from the volatilization of radioactive material in the atmosphere. In addition, new methods are planned for the fixation and immobilization of radioactive gaseous waste such as Kr, I, Xe, Ra, etc., in a glass matrix.
L'invention, c'est-à-dire la composition de verre non poreux contenant une matière radioactive sous forme d'oxydes ou d'éléments enrobée et immobilisée par fixation chimique dans la matrice de verre, est caractérisée dans la revendication 1 précédente. The invention, that is to say the composition of non-porous glass containing a radioactive material in the form of oxides or of elements coated and immobilized by chemical fixation in the glass matrix, is characterized in claim 1 above.
D'un point de vue pratique, la limite supérieure de la quantité de matière radioactive contenue dans la nouvelle composition de verre non poreux sera déterminée, dans une certaine mesure, par des facteurs tels que: la concentration de Si02 dans le verre, la concentration et le type des autres ingrédients qui peuvent être présents dans le verre tels que B203, A1203, Ti02, la zircone, les oxydes de métaux alcalins et G02, la concentration et le type de la matière radioactive enrobée dans le verre, la fraction en volume de la structure poreuse dans la préforme de verre poreux, les diverses techniques utilisées pour enrober la matière active dans le verre et d'autres facteurs. From a practical point of view, the upper limit of the amount of radioactive material contained in the new composition of non-porous glass will be determined, to a certain extent, by factors such as: the concentration of SiO2 in the glass, the concentration and the type of other ingredients that may be present in the glass such as B203, A1203, Ti02, zirconia, alkali metal oxides and G02, the concentration and type of the radioactive material embedded in the glass, the volume fraction of the porous structure in the porous glass preform, the various techniques used to coat the active material in the glass and other factors.
Les matières radioactives qui peuvent être enrobées et immobilisées dans la matrice de verre comprennent les éléments radioactifs naturels (isotopes existant dans la nature et isotopes artificiels et existant sous la forme de liquides, de matières solides ou de gaz), généralement sous la forme de l'oxyde, comme le carbone, le rubidium, le strontium, les lanthanides, le cobalt, le cadmium, l'argent, le zirconium, le molybdène, le technétium, le niobium, le ruthénium, le rhodium, le palladium, le tellure, le césium, le baryum, le francium, l'yttrium, le radium, les actinides et les gaz krypton, Radioactive materials that can be coated and immobilized in the glass matrix include natural radioactive elements (isotopes existing in nature and artificial isotopes and existing in the form of liquids, solids or gases), generally in the form of l oxide, such as carbon, rubidium, strontium, lanthanides, cobalt, cadmium, silver, zirconium, molybdenum, technetium, niobium, ruthenium, rhodium, palladium, tellurium, cesium, barium, francium, yttrium, radium, actinides and krypton gases,
iode, brome, xénon et radon. Sont spécialement utilisables dans la mise en œuvre de l'invention les déchets radioactifs provenant de réacteurs nucléaires ou d'autres procédés produisant des déchets. iodine, bromine, xenon and radon. Are especially usable in the implementation of the invention radioactive waste from nuclear reactors or other processes producing waste.
Un aspect spécial de l'invention concerne de nouveaux articles en verre ayant des propriétés améliorées d'emprisonnement et caractérisés par une enveloppe extérieure dont la composition comprend au moins 90 mol% de silice, de préférence plus de 95 mol%, et dont le noyau intérieur contient les matières radioactives. La haute teneur en silice de l'enveloppe donne aux articles une durabilité chimique considérablement plus grande. Le noyau intérieur a une plus basse teneur en silice de l'ordre indiqué ci-après, à savoir au moins 75 mol% de silice, de préférence 82 mol% et en particulier 89 mol%. A special aspect of the invention relates to new glass articles having improved confining properties and characterized by an outer shell whose composition comprises at least 90 mol% of silica, preferably more than 95 mol%, and whose core interior contains radioactive material. The high silica content of the envelope gives the articles considerably greater chemical durability. The inner core has a lower silica content of the order indicated below, namely at least 75 mol% of silica, preferably 82 mol% and in particular 89 mol%.
L'invention concerne aussi un nouveau procédé pour préparer les nouvelles compositions décrites ci-dessus. The invention also relates to a new process for preparing the new compositions described above.
Les isotopes radioactifs, comme indiqué ci-dessus, existent sous forme de gaz, de liquides ou de matières solides. Les isotopes liquides sont généralement combinés pour donner des sels ou d'autres composés qui, comme dans le cas des isotopes solides, sont dissous dans une solution. Ci-après, on traitera de telles solutions séparément des isotopes gazeux. Dans le cas des solutions, deux modes de mise en œuvre de l'invention sont décrits. Radioactive isotopes, as noted above, exist as gases, liquids, or solids. Liquid isotopes are usually combined to give salts or other compounds which, as in the case of solid isotopes, are dissolved in a solution. In the following, such solutions will be treated separately from gas isotopes. In the case of solutions, two modes of implementing the invention are described.
La documentation technique publiée décrit suffisamment la préparation de préformes de verre poreux. Les préformes utilisables dans les nouveaux procédés contiennent généralement Si02 comme constituant majeur. Dans la préparation de divers modes de réalisation de l'invention, la concentration de Si02 est avantageusement d'au moins 75 mol%, de préférence au moins 82 mol% et en particulier au moins 89 mol% de Si02 (et de préférence moins de 1 mol% d'oxyde de métal alcalin). De tels verres sont décrits dans la documentation technique publiée (voir les brevets EUA Nos 2106744, 2272342 et 2326059). Selon le premier mode de réalisation, le dopant constitué des isotopes radioactifs sous forme de sels, d'oxydes ou d'autres composés est diffusé dans les pores de la préforme; la The published technical documentation sufficiently describes the preparation of porous glass preforms. The preforms usable in the new processes generally contain SiO2 as a major constituent. In the preparation of various embodiments of the invention, the concentration of SiO2 is advantageously at least 75 mol%, preferably at least 82 mol% and in particular at least 89 mol% of SiO2 (and preferably less than 1 mol% of alkali metal oxide). Such glasses are described in the published technical documentation (see EUA patents Nos. 2106744, 2272342 and 2326059). According to the first embodiment, the dopant consisting of radioactive isotopes in the form of salts, oxides or other compounds is diffused in the pores of the preform; the
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préforme est ensuite enlevée de la solution de dopant et est séchée. Le frittage des verres poreux à bourrage moléculaire permet la décomposition des sels en oxydes et leur incorporation dans la matrice de verre. Le frittage est conduit à des températures généralement très inférieures aux températures de fusion du verre, et on réduit ainsi au minimum les risques d'évaporation de matière radioactive dans l'atmosphère. Le verre non poreux résultant ainsi produit a partout une concentration finie de dopant. Selon le deuxième mode de réalisation, la solution de dopant contenant les composés radioactifs est diffusée dans les pores de la préforme; la préforme est enlevée de la solution de dopant et plongée dans une ou plusieurs solutions de solvant comme l'eau, le méthanol, l'éthanol, l'acétone et l'acide nitrique; la préforme est ensuite enlevée de la solution ou des solutions de solvant après qu'une région sensiblement exempte de solvant d'une épaisseur suffisante s'est formée à la surface de la préforme, et elle est séchée. Suit un frittage, comme dans le procédé du premier mode de réalisation, pour former un verre non poreux avec une région de noyau intérieur contenant le dopant radioactif et une région d'enveloppe extérieure d'une teneur en silice d'au moins 90 mol%, de préférence supérieure à 95 mol%, et ne contenant sensiblement pas de matière radioactive. preform is then removed from the dopant solution and is dried. The sintering of porous molecularly packed glasses allows the decomposition of the salts into oxides and their incorporation into the glass matrix. The sintering is carried out at temperatures generally much lower than the melting temperatures of the glass, and the risks of evaporation of radioactive material in the atmosphere are thus reduced to a minimum. The resulting non-porous glass thus produced has a finite concentration of dopant everywhere. According to the second embodiment, the dopant solution containing the radioactive compounds is diffused in the pores of the preform; the preform is removed from the dopant solution and immersed in one or more solvent solutions such as water, methanol, ethanol, acetone and nitric acid; the preform is then removed from the solvent solution (s) after a substantially solvent-free region of sufficient thickness has formed on the surface of the preform, and is dried. Following sintering, as in the method of the first embodiment, to form a non-porous glass with an inner core region containing the radioactive dopant and an outer shell region with a silica content of at least 90 mol% , preferably greater than 95 mol%, and containing substantially no radioactive material.
On décrit aussi ci-après deux modes de mise en œuvre de l'invention pour emprisonner des gaz radioactifs dans la matrice de verre. Selon le premier mode de mise en œuvre, la préforme de verre poreux est séchée et ensuite exposée au gaz (déchet gazeux) radioactif à une pression déterminée par la concentration désirée du gaz emprisonné dans le verre; on laisse le gaz se dissoudre dans la matrice de verre et on fritte les pores à des températures élevées en présence du gaz radioactif. Selon le deuxième mode de mise en œuvre, la préforme de verre poreux est d'abord plongée dans une solution contenant un ou plusieurs composés dopants, avantageusement sous la forme de leurs sels, avant séchage. On peut choisir ces composés dopants de manière à augmenter l'aire superficielle, ce qui, à son tour, augmente la solubilité du gaz radioactif dans le verre, ou de manière à abaisser la température de transition vitreuse du verre. On peut faire varier, si on le désire, la concentration des composés dopants dans le verre. Après précipitation de ces composés dopants, la préforme est séchée et, si nécessaire, chauffée encore pour décomposer les composés dopants généralement à leur forme d'oxyde. La préforme est ensuite exposée au déchet gazeux radioactif à une pression déterminée par la concentration désirée du gaz emprisonné dans le verre, on laisse le gaz se dissoudre dans la matrice de verre et on fritte les pores à des températures élevées en présence du déchet gazeux radioactif. Two methods of implementing the invention are also described below for trapping radioactive gases in the glass matrix. According to the first embodiment, the porous glass preform is dried and then exposed to radioactive gas (gaseous waste) at a pressure determined by the desired concentration of the gas trapped in the glass; the gas is allowed to dissolve in the glass matrix and the pores are sintered at elevated temperatures in the presence of the radioactive gas. According to the second mode of implementation, the porous glass preform is first immersed in a solution containing one or more doping compounds, advantageously in the form of their salts, before drying. These doping compounds can be chosen so as to increase the surface area, which, in turn, increases the solubility of the radioactive gas in the glass, or so as to lower the glass transition temperature of the glass. The concentration of the doping compounds in the glass can be varied, if desired. After precipitation of these doping compounds, the preform is dried and, if necessary, further heated to decompose the doping compounds generally to their oxide form. The preform is then exposed to the radioactive gas waste at a pressure determined by the desired concentration of the gas trapped in the glass, the gas is allowed to dissolve in the glass matrix and the pores are sintered at high temperatures in the presence of the radioactive gas waste .
La variation de la concentration du dopant dans la préforme de verre avant le séchage et l'incorporation du déchet gazeux radioactif peut être avantageuse pour plusieurs raisons. Si le dopant est un autre déchet radioactif, il sera souhaitable de réduire sa concentration autant que possible près de la surface de la préforme de verre, de manière à réduire encore les risques de fuites dans l'environnement. En deuxième lieu, si le dopant utilisé augmente la solubilité du gaz dans la structure poreuse de la préforme, il sera avantageux aussi de réduire sa concentration autant que possible près de la surface de la préforme, car cela entraînera une concentration réduite du gaz radioactif dissous près de la surface du verre et réduira ainsi les risques de fuites dans l'environnement. En troisième lieu, si le dopant abaisse la température de transition vitreuse de la matrice de verre et si on fait varier sa concentration de manière à avoir un maximum à l'intérieur de la préforme et un minimum dans une couche adjacente à la surface, on obtiendra les différences correspondantes dans la concentration des gaz radioactifs dissous. The variation of the concentration of the dopant in the glass preform before drying and the incorporation of the radioactive gaseous waste can be advantageous for several reasons. If the dopant is another radioactive waste, it will be desirable to reduce its concentration as much as possible near the surface of the glass preform, so as to further reduce the risk of leakage into the environment. Secondly, if the dopant used increases the solubility of the gas in the porous structure of the preform, it will also be advantageous to reduce its concentration as much as possible near the surface of the preform, since this will lead to a reduced concentration of the dissolved radioactive gas. close to the glass surface and thus reduce the risk of environmental leakage. Thirdly, if the dopant lowers the glass transition temperature of the glass matrix and if its concentration is varied so as to have a maximum inside the preform and a minimum in a layer adjacent to the surface, will obtain the corresponding differences in the concentration of dissolved radioactive gases.
Dans le brevet EUA antérieur N° 3938974 concernant l'optique de fibres, les demandeurs ont limité l'éventail des dopants utilisés parce qu'une haute transmission optique était nécessaire et que les dopants qui causaient une atténuation de la lumière par le verre ne pouvaient pas être utilisés. Toutefois, dans la fixation de substances radioactives envisagée ici, on n'a pas besoin d'appliquer de tels critères. In prior EUA patent No. 3,938,974 relating to fiber optics, the applicants limited the range of dopants used because high optical transmission was necessary and the dopants which caused light attenuation by glass could not not be used. However, in the fixation of radioactive substances envisaged here, there is no need to apply such criteria.
Un dopant est un composé qui est déposé dans le verre poreux. Ce composé ou, dans le cas de gaz, un élément ou une molécule, peut être incorporé dans le verre durant l'affaissement tel qu'il a été déposé, ou après transformation en l'oxyde approprié. Dans le cas de métaux, il est souvent introduit sous la forme d'un nitrate en solution, ou précipité sous la forme d'un cristal de nitrate. Lors du chauffage, il se décompose pour donner un cristal d'oxyde qui, lors de l'affaissement, est incorporé dans la structure de silice. A dopant is a compound that is deposited in porous glass. This compound or, in the case of gas, an element or a molecule, can be incorporated into the glass during the slump as it has been deposited, or after transformation into the appropriate oxide. In the case of metals, it is often introduced in the form of a nitrate in solution, or precipitated in the form of a nitrate crystal. Upon heating, it decomposes to give an oxide crystal which, upon collapse, is incorporated into the silica structure.
Les exemples de dopants comprennent, évidemment, la matière radioactive envisagée et décrite, les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, le bore, le germanium, l'aluminium, le titane, le plomb, le bismuth, le phosphore et les terres rares, sous la forme de nitrates, de carbonates, d'acétates, de phosphates, d'oxydes, de borates, d'arséniates et de silicates, dans des formes hydratées, non hydratées ou leurs mélanges. Examples of dopants include, of course, the radioactive material contemplated and described, alkali metals, alkaline earth metals, boron, germanium, aluminum, titanium, lead, bismuth, phosphorus and rare earths , in the form of nitrates, carbonates, acetates, phosphates, oxides, borates, arsenates and silicates, in hydrated, non-hydrated forms or their mixtures.
La fabrication de la matrice de verre poreux peut être effectuée selon l'un quelconque des procédés disponibles utilisés par l'homme de l'art pour former un verre poreux d'une conformation désirée quelconque, de préférence cylindrique ou rectangulaire, d'une composition comprenant plus de 75% de silice. On préfère former les matrices poreuses de verre sous la forme de cylindres, conformément aux procédés décrits dans la demande de brevet EUA N° 635727 déposée le 26 novembre 1975. Brièvement, on fait fondre un verre contenant de la silice, du trioxyde de bore et deux oxydes de métaux alcalins (tels que NazO et K20) et on les étire en longs bâtonnets. Par traitement thermique approprié, on soumet ces bâtonnets à une séparation de phases donnant deux phases : une phase riche en silice contenant aussi B203 et de l'oxyde de métal alcalin, et une phase pauvre en silice contenant une plus grande quantité de B203 et d'oxyde de métal alcalin. Les bâtonnets traités thermiquement sont ensuite plongés dans une solution de lessivage appropriée de manière à dissoudre et à enlever la phase contenant la plus faible concentration de silice. L'élimination de cette phase et le lavage ultérieur donnent une préforme de verre poreux caractérisée par une teneur en Si02 supérieure à 90 mol% qui est prête pour utilisation comme matrice pour l'enrobage de la matière radioactive. On suit ici plusieurs modes opératoires suivant que les matières radioactives à enrober sont sous la forme de matières solides et de liquides ou de gaz. The manufacture of the porous glass matrix can be carried out according to any of the available methods used by a person skilled in the art to form a porous glass of any desired conformation, preferably cylindrical or rectangular, of a composition comprising more than 75% silica. It is preferred to form the porous glass matrices in the form of cylinders, in accordance with the methods described in EUA patent application No. 635727 filed on November 26, 1975. Briefly, a glass containing silica, boron trioxide and two alkali metal oxides (such as NazO and K20) and stretched into long rods. By appropriate heat treatment, these rods are subjected to a phase separation giving two phases: a phase rich in silica also containing B203 and alkali metal oxide, and a phase poor in silica containing a greater amount of B203 and d alkali metal oxide. The heat-treated rods are then immersed in an appropriate leaching solution so as to dissolve and remove the phase containing the lowest concentration of silica. Elimination of this phase and subsequent washing gives a porous glass preform characterized by an SiO 2 content greater than 90 mol% which is ready for use as a matrix for coating the radioactive material. Several procedures are followed here, depending on whether the radioactive materials to be coated are in the form of solid materials and liquids or gases.
A. Matières solides et liquides A. Solids and liquids
Dans le cas de matières radioactives solides ou liquides comprenant des résidus nucléaires, les matières sont généralement disponibles sous la forme d'un mélange aqueux de sels ou d'autres composés des diverses matières à enrober. Les résidus à haut niveau sont en général constitués principalement du rafEnat aqueux résultant du premier cycle du procédé bien connu d'extraction au solvant Purex ainsi que divers autres courants de déchets. Il peut y avoir des variations importantes dans la composition des déchets. Une composition typique est indiquée dans le tableau I. On ajoute du solvant aux déchets jusqu'à ce que tous les constituants soient sensiblement passés en solution. Certaines installations de traitement effectuent aussi l'extraction de constituants individuels à partir des mélanges de déchets comme Cs et Sr pour une utilisation particulière. In the case of solid or liquid radioactive materials comprising nuclear residues, the materials are generally available in the form of an aqueous mixture of salts or other compounds of the various materials to be coated. The high level residues generally consist mainly of the aqueous rafEnat resulting from the first cycle of the well known Purex solvent extraction process as well as various other waste streams. There may be significant variations in the composition of the waste. A typical composition is shown in Table I. Solvent is added to the waste until all of the constituents are substantially in solution. Some treatment facilities also extract individual components from waste mixtures such as Cs and Sr for a particular use.
(Tableau en tête de la colonne suivante) (Table at the top of the next column)
On utilise indistinctement terres rares et lanthanides pour désigner la série d'éléments comprenant les suivants: lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadoli-nium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium et lutétium. Rare earths and lanthanides are used without distinction to designate the series of elements comprising the following: lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadoli-nium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium.
Dans les applications ne concernant pas des déchets, les éléments radioactifs peuvent être présents isolément ou en groupes, ou combinés dans des sels ou d'autres composés. En tout cas, ils doivent être dissous en solution ou fondus. In non-waste applications, the radioactive elements may be present singly or in groups, or combined in salts or other compounds. In any case, they must be dissolved in solution or melted.
Les supports de verre poreux (dans la forme commode de bâtonnets) sont plongés dans les solutions de dopant contenant les matières radioactives pendant une période assez longue pour permet- The porous glass supports (in the convenient form of sticks) are immersed in the dopant solutions containing the radioactive materials for a period long enough to allow
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Tableau I Table I
Produits Products
de of
Concentration Concentration
Remplacements dans la solution fission Replacements in the fission solution
(% atomique) (atomic%)
de bourrage stuffing
Rb Rb
1,0 1.0
Rb(N03) Rb (N03)
Sr Sr
5,2 5.2
Sr(N03)2 Sr (N03) 2
Terres Land
rares* rare *
17,8 17.8
Mélange de nitrates de terres rares Mixture of rare earth nitrates
Zr Zr
20,3 20.3
Zr(N03)4 • 5H20 Zr (N03) 4 • 5H20
Mo Mo
18,1 18.1
Te You
2,1 2.1
Fe(N03)2 • 6H20 Fe (N03) 2 • 6H20
Ru Ru
11,4 11.4
Rh Rh
1,0 1.0
Co(N03)3 • 6H20 Co (N03) 3 • 6H20
Pd Pd
6,2 6.2
Ni(N03)2 • 6H20 Ni (N03) 2 • 6H20
Te You
2,3 2.3
Cs Cs
5,2 5.2
Cs(N03) Cs (N03)
Ba Ba
5,2 5.2
Ba(N03)2 Ba (N03) 2
Actinides Actinides
4,2 4.2
Mélange de nitrates de terres rares tre la diffusion de la solution de matière dopante (solution de bourrage) dans les pores. La durée de cette période dépend de la température de la solution de bourrage, de la structure poreuse et des dimensions de l'hôte de verre poreux. Mixture of rare earth nitrates for the diffusion of the doping material solution (stuffing solution) in the pores. The length of this period depends on the temperature of the stuffing solution, the porous structure and the dimensions of the porous glass host.
Divers procédés peuvent être utilisés une fois que la solution de bourrage a rempli les pores de déchets ou d'un autre dopant. Selon un procédé, la préforme de verre poreux est enlevée de la solution de bourrage; ensuite, on fait précipiter le dopant dans la préforme de diverses manières, comme en évaporant le solvant de la solution, en abaissant la température de la solution, par des moyens chimiques, etc. Si on le désire, on peut laver brièvement la préforme pour nettoyer son aire superficielle. Eventuellement, la préforme peut être plongée ensuite dans une solution de lavage telle qu'un solvant ayant une faible solubilité pour le dopant, pour plusieurs heures de trempage. Ensuite, la préforme est séchée, par exemple dans un dessiccateur, une chambre sous vide, etc., de préférence à des températures relativement basses. Ce procédé, quand il est complété par le séchage et le frittage décrits ci-après, donne des compositions de verre non poreux ayant une concentration sensiblement homogène des déchets. Various methods can be used once the stuffing solution has filled the pores with waste or other dopant. According to a method, the porous glass preform is removed from the stuffing solution; then, the dopant is precipitated in the preform in various ways, such as by evaporating the solvent from the solution, lowering the temperature of the solution, by chemical means, etc. If desired, the preform can be washed briefly to clean its surface area. Optionally, the preform can then be immersed in a washing solution such as a solvent having a low solubility for the dopant, for several hours of soaking. Then, the preform is dried, for example in a desiccator, a vacuum chamber, etc., preferably at relatively low temperatures. This process, when supplemented with the drying and sintering described below, gives non-porous glass compositions having a substantially homogeneous concentration of the waste.
Selon un deuxième procédé, la préforme de verre poreux est enlevée de la solution de bourrage; on laisse commencer la précipitation du dopant; ensuite, on plonge la préforme pendant plusieurs heures dans un solvant ayant une solubilité intermédiaire pour les matières dopantes. Ce dernier trempage permet la formation d'une peau ou enveloppe épaisse à la surface extérieure de la préforme du fait que du dopant est redissous dans le solvant. Le trempage dans plusieurs solvants d'une solubilité décroissante pour les dopants permet l'élimination du dopant de cette région de peau. Une fois cela effectué, la préforme est séchée comme illustré ci-dessus. Ce procédé, une fois complété par le séchage et le frittage décrits ci-après, donne des compositions de verre non poreux comportant une peau d'une concentration en dopant sensiblement inférieure à la surface extérieure de la préforme. Comme elle contient une plus faible concentration de dopant, cette peau a pour action de protéger l'intérieur du verre contre l'attaque chimique et elle a aussi pour action de retarder encore la diffusion des matières radioactives de l'intérieur du verre à la surface où elles peuvent réagir avec l'environnement. According to a second method, the porous glass preform is removed from the stuffing solution; the precipitation of the dopant is allowed to begin; then the preform is immersed for several hours in a solvent having an intermediate solubility for doping materials. This latter soaking allows the formation of a thick skin or envelope on the outer surface of the preform because the dopant is redissolved in the solvent. The soaking in several solvents of decreasing solubility for dopants allows the elimination of the dopant from this region of skin. Once this is done, the preform is dried as illustrated above. This process, once completed by the drying and sintering described below, gives non-porous glass compositions comprising a skin of a dopant concentration substantially lower than the external surface of the preform. As it contains a lower concentration of dopant, this skin acts to protect the interior of the glass against chemical attack and it also has the action of further delaying the diffusion of radioactive materials from the interior of the glass to the surface. where they can react with the environment.
Comme exemples de techniques de séchage et de frittage, on peut maintenir la préforme (préparée par l'un ou l'autre des deux procédés illustrés ci-dessus) sous vide à de basses températures pendant un jour environ, et ensuite la chauffer, à une vitesse d'environ 15° C/h tandis qu'elle est toujours sous vide, à une température supérieure à la température de décomposition du dopant et d'environ 100° C au-dessous de la température de transition vitreuse de la matrice de verre poreux exempte de dopant. A ce moment, des conditions redox désirées quelconques pour le dopant peuvent être obtenues de diverses manières: par chauffage, encore à la température de frittage, de la préforme sous vide en vue d'un état de valence réduite du dopant; ou par chauffage, à la température de frittage, de la préforme sous une atmosphère contenant de l'hydrogène en vue d'un état de valence très réduite du dopant; ou par chauffage, à la température de frittage, de la préforme sous une atmosphère contenant de l'oxygène à une pression appropriée pour obtenir un dopant partiellement ou totalement oxydé. As examples of drying and sintering techniques, the preform (prepared by either of the two methods illustrated above) can be kept under vacuum at low temperatures for about a day, and then heated to a speed of about 15 ° C / h while it is still under vacuum, at a temperature above the decomposition temperature of the dopant and about 100 ° C below the glass transition temperature of the matrix porous glass free of dopant. At this time, any desired redox conditions for the dopant can be obtained in various ways: by heating, still at the sintering temperature, the vacuum preform for a reduced valence state of the dopant; or by heating, at the sintering temperature, the preform under an atmosphere containing hydrogen for a very reduced valence state of the dopant; or by heating, at the sintering temperature, the preform under an atmosphere containing oxygen at an appropriate pressure to obtain a partially or fully oxidized dopant.
Cette possibilité de modifier les états d'oxydation-réduction des matières radioactives permet un réglage fin de la résistance du verre à l'attaque chimique, car beaucoup des matières radioactives, spécialement les actinides, sont moins solubles dans l'eau quand elles sont dans un état réduit. La possibilité de modifier l'état d'oxydation-réduction de ces matières dangereuses fournit une sécurité supplémentaire contre une dispersion prématurée de ces matières dans l'environnement. This possibility of modifying the oxidation-reduction states of radioactive materials allows fine adjustment of the glass's resistance to chemical attack, since many radioactive materials, especially actinides, are less soluble in water when they are in a reduced state. The possibility of modifying the oxidation-reduction state of these hazardous materials provides additional security against premature dispersion of these materials in the environment.
Après le frittage à des températures élevées, les produits sont refroidis à la température ambiante de manière qu'ils forment un verre non poreux enrobant et immobilisant complètement la matière radioactive dans sa structure vitreuse. After sintering at elevated temperatures, the products are cooled to room temperature so that they form a non-porous glass that coats and completely immobilizes the radioactive material in its vitreous structure.
Selon un autre aspect, l'invention concerne le stockage et l'immobilisation de solutions aqueuses d'acide borique contaminées par des agents radioactifs par suite de leur utilisation comme milieux de transfert de chaleur pour des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Ces solutions contaminées contiennent diverses impuretés radioactives comprenant Co, Cs, Mn, Cr, Sr et Zn ainsi que des impuretés inertes comme Fe. Actuellement, on se débarrasse de telles solutions contaminées par fixation dans des formes en ciment et ensuite enfouissement dans le sol, à quelques dizaines de centimètres. Cette technique est très peu satisfaisante, car le ciment a un faible facteur de charge, l'acide borique à la température ambiante ayant une solubilité de 5% environ. De plus, le ciment n'est pas spécialement insoluble et il est lessivé dans la nappe phréatique. Ainsi, même s'il s'agit de se débarrasser de déchets de recyclage de combustible nucléaire de faible activité, l'effet nuisible sur l'environnement et sur la population est évident. According to another aspect, the invention relates to the storage and immobilization of aqueous solutions of boric acid contaminated with radioactive agents as a result of their use as heat transfer media for nuclear pressurized water reactors. These contaminated solutions contain various radioactive impurities including Co, Cs, Mn, Cr, Sr and Zn as well as inert impurities like Fe. Currently, we get rid of such contaminated solutions by fixing in cement forms and then burial in the ground, a few tens of centimeters. This technique is very unsatisfactory, since the cement has a low load factor, boric acid at room temperature having a solubility of approximately 5%. In addition, the cement is not specially insoluble and it is leached into the water table. Thus, even if it involves disposing of low-level nuclear fuel recycling waste, the harmful effect on the environment and on the population is obvious.
Les nouveaux procédés décrits ici permettent le garnissage de la préforme de verre poreux avec de telles solutions d'acide borique contaminées par des matières radioactives à un bas niveau. Les opérations de garnissage peuvent être conduites à des températures qui donneront des facteurs de charge plusieurs fois supérieurs à ceux qui peuvent être obtenus dans la technique de fixation dans le ciment. Par exemple, la solubilité de l'acide borique dans l'eau à 100°C est d'environ 30% en poids, ce qui permet des facteurs de charge environ six fois supérieurs à ceux obtenus à la température ambiante en utilisant la technique de fixation dans le ciment. The new methods described here allow the filling of the porous glass preform with such boric acid solutions contaminated with radioactive materials at a low level. The packing operations can be carried out at temperatures which will give load factors several times higher than those which can be obtained in the technique of fixing in cement. For example, the solubility of boric acid in water at 100 ° C is about 30% by weight, which allows load factors about six times greater than those obtained at room temperature using the technique of fixing in cement.
Les nouvelles compositions de verre non poreux de ce dernier mode de mise en œuvre de l'invention sont caractérisées par l'enrobage et l'immobilisation de déchets consistant en acide borique contaminé par des matières radioactives à un bas niveau (provenant de réacteurs nucléaires à eau sous pression), ces déchets étant fixés dans la matrice de verre sous la forme d'oxydes de bore, les.impuretés radioactives comprenant du cobalt et du chrome. D'autres impuretés telles que du strontium, du césium, du manganèse et/ou du zinc peuvent aussi être présentes sous la forme d'oxydes. Ces compositions contiennent généralement moins de 1 % en poids d'impuretés radioactives (sous la forme de leur oxyde). Toutefois, en cas de problèmes sérieux de fuites dans le réacteur nucléaire à eau sous pression, les déchets d'acide borique peuvent contenir de bien plus fortes proportions d'impuretés. The new non-porous glass compositions of this latter embodiment of the invention are characterized by the coating and immobilization of waste consisting of boric acid contaminated with radioactive materials at a low level (coming from nuclear reactors with pressurized water), this waste being fixed in the glass matrix in the form of boron oxides, the radioactive impurities comprising cobalt and chromium. Other impurities such as strontium, cesium, manganese and / or zinc may also be present in the form of oxides. These compositions generally contain less than 1% by weight of radioactive impurities (in the form of their oxide). However, in the event of serious leakage problems in the pressurized water nuclear reactor, the boric acid waste can contain much higher proportions of impurities.
Dans les exemples 1 et 2, la solution dopante contient seulement du nitrate de césium afin de montrer simplement le comportement du système de dopant et de verre poreux. On a choisi le césium en raison de sa forte concentration dans les déchets et parce que, du fait que c'est un métal alcalin, son coefficient de diffusion à travers le verre est plus élevé que celui des autres constituants, sauf le rubidium (un autre métal alcalin), qui est toutefois présent à de faibles concentra5 In Examples 1 and 2, the doping solution contains only cesium nitrate in order to simply show the behavior of the dopant and porous glass system. Cesium was chosen because of its high concentration in waste and because, because it is an alkali metal, its coefficient of diffusion through glass is higher than that of the other constituents, except rubidium (a other alkali metal), which is, however, present at low concentrations5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
633499 633499
6 6
tions. Toutes les compositions sont indiquées sur une base molaire. Le césium pose un problème supplémentaire en raison de sa pression de vapeur élevée aux températures élevées normalement nécessaires pour la fusion des verres, complication que l'on évite grâce aux nouveaux procédés envisagés ici. Ainsi, de tous les isotopes radioactifs dans les déchets de réacteurs, Cs pose probablement le plus de problèmes en cas d'emprisonnement dans le verre et présente les plus grands dangers à court terme. En conséquence, un procédé qui immobilisera le césium dans une matrice de verre résoudra aussi les problèmes de stockage associés à d'autres isotopes radioactifs. Donc, un procédé qui permettra l'immobilisation du césium immobilisera aussi d'autres isotopes radioactifs. tions. All the compositions are indicated on a molar basis. Cesium poses an additional problem because of its high vapor pressure at the high temperatures normally necessary for the melting of glasses, a complication which is avoided thanks to the new methods envisaged here. Thus, of all the radioactive isotopes in reactor waste, Cs probably poses the most problems when trapped in glass and presents the greatest short-term dangers. As a result, a process that immobilizes cesium in a glass matrix will also solve the storage problems associated with other radioactive isotopes. So a process that will immobilize cesium will also immobilize other radioactive isotopes.
Dans les exemples 3 et 4 ci-après, on utilise le procédé de bourrage moléculaire de l'exemple 1. Dans l'exemple 3, la solution de bourrage contient SrN03 qui, comme CsN03, est présent dans des courants de déchets nocifs. La solution de l'exemple 4 stimule les déchets possibles à de bas niveaux dans l'acide borique. Les solutions des exemples 5 et 6 ressemblent aux déchets non séparés actuels, l'exemple 6 simulant les constituants majeurs de déchets radioactifs typiques produits dans des éléments de retraitement de combustible provenant de réacteurs d'une compagnie d'électricité. In Examples 3 and 4 below, the molecular stuffing method of Example 1 is used. In Example 3, the stuffing solution contains SrN03 which, like CsN03, is present in harmful waste streams. The solution of Example 4 stimulates possible waste at low levels in boric acid. The solutions of Examples 5 and 6 resemble current non-separated waste, Example 6 simulating the major constituents of typical radioactive waste produced in fuel reprocessing elements from reactors of an electricity company.
Exemples 1 et 2: Examples 1 and 2:
La préforme de verre poreux est obtenue par fusion d'un verre ayant la composition: 60,2 mol% de Si02,32,8 mol% de B203, 3,6 mol% de Na20 et 3,4 mol% de K20, dans un creuset en platine au voisinage de 1400°C; on effectue l'homogénéisation de la masse fondue avec un agitateur en platine, ensuite le tirage de la masse fondue en bâtonnets en utilisant une amorce en verre, la coupe en cylindres ou bâtonnets de 7 mm de diamètre x 30,5 cm de longueur, le traitement thermique de ces bâtonnets à 550° C pendant 1,5 à 2 h, le recuit du verre, le lavage dans une solution aqueuse à 2,5% de HF pendant 60 s, le lessivage dans HCl 3N et une solution aqueuse à 15-20% de NH4C1, puis lavage à l'eau. La préforme de verre poreux résultante est caractérisée par une structure poreuse à alvéoles ouverts et a la composition suivante: 95 mol% de Si02,5 mol% de B203 et moins de 0,1 mol% d'oxyde de métal alcalin. The porous glass preform is obtained by melting a glass having the composition: 60.2 mol% of Si02.32.8 mol% of B203, 3.6 mol% of Na20 and 3.4 mol% of K20, in a platinum crucible near 1400 ° C; the homogenization of the melt is carried out with a platinum agitator, then the drawing of the melt into sticks using a glass primer, the cutting into cylinders or sticks of 7 mm in diameter x 30.5 cm in length, heat treatment of these sticks at 550 ° C for 1.5 to 2 h, annealing of the glass, washing in an aqueous solution containing 2.5% HF for 60 s, leaching in 3N HCl and an aqueous solution 15-20% NH4C1, then wash with water. The resulting porous glass preform is characterized by a porous structure with open cells and has the following composition: 95 mol% of Si02.5 mol% of B203 and less than 0.1 mol% of alkali metal oxide.
Une préforme de verre poreux en forme de bâtonnet ainsi préparée est ensuite placée dans une solution dite de bourrage et contenant les déchets qui, dans ce cas, sont une solution aqueuse de CsN03 (contenant 65% en poids de CsN03) pendant au moins 3 h, tandis qu'on maintient la solution à 105° C. Dans l'exemple 1, la solution de bourrage de CsN03 est ensuite remplacée par un mélange d'eau froide et de méthanol pendant quelques minutes, jusqu'à ce qu'une précipitation de CsN03 se produise dans la structure poreuse, puis le bâtonnet est trempé dans du méthanol pendant 3 h. Dans l'exemple 2, la solution de bourrage est remplacée par de l'eau froide et du méthanol pendant moins de 2 min, et alors une précipitation de CsN03 se produit. Ensuite, le bâtonnet de verre est trempé dans de l'eau pendant 3 h à 2° C, puis trempé dans du méthanol pendant au moins encore 3 h à 0°C. Ces deux trempages produisent une peau ou enveloppe mince de l'ordre de 1 mm autour de la surface cylindrique du bâtonnet. La peau est dépourvue de CsN03. A porous glass preform in the form of a rod thus prepared is then placed in a so-called stuffing solution and containing the waste which, in this case, is an aqueous solution of CsN03 (containing 65% by weight of CsN03) for at least 3 h , while the solution is kept at 105 ° C. In Example 1, the CsN03 stuffing solution is then replaced by a mixture of cold water and methanol for a few minutes, until precipitation occurs. of CsN03 occurs in the porous structure, then the stick is soaked in methanol for 3 h. In Example 2, the stuffing solution is replaced with cold water and methanol for less than 2 min, and then precipitation of CsN03 occurs. Then, the glass stick is soaked in water for 3 h at 2 ° C, then soaked in methanol for at least another 3 h at 0 ° C. These two soaks produce a thin skin or envelope of the order of 1 mm around the cylindrical surface of the stick. The skin is devoid of CsN03.
Dans les deux exemples 1 et 2, après avoir maintenu les bâtonnets de verre pendant 24 h à 0°C sous vide (de l'ordre de 0,1 mm de Hg), on sèche les bâtonnets sous vide à des températures croissantes allant de 0° C à 625° C pour éliminer le solvant, l'eau et le méthanol afin de décomposer le dopant nitrate de césium en son oxyde. On utilise une vitesse de chauffage de 15° C/h. Un chauffage supplémentaire à 840° C, qui est la température de frittage du bâtonnet de verre poreux, est effectué sous une atmosphère d'oxygène. Quand la structure poreuse s'affaisse, la consolidation est considérée comme complète et le bâtonnet non poreux fritté est enlevé du four et porté à la température ambiante. In the two examples 1 and 2, after having maintained the glass rods for 24 h at 0 ° C. under vacuum (of the order of 0.1 mm Hg), the rods are dried under vacuum at increasing temperatures ranging from 0 ° C to 625 ° C to remove the solvent, water and methanol in order to decompose the cesium nitrate dopant into its oxide. A heating rate of 15 ° C / h is used. Additional heating to 840 ° C, which is the sintering temperature of the porous glass rod, is carried out under an oxygen atmosphere. When the porous structure collapses, consolidation is considered complete and the sintered non-porous stick is removed from the oven and brought to room temperature.
Ensuite, les deux bâtonnets non poreux obtenus dans les exemples 1 et 2 sont soumis à des déterminations de la teneur en césium et du profil d'indice de réfraction associé. La composition de la partie centrale des bâtonnets des deux exemples 1 et 2 est de 92,1 mol% de Then, the two non-porous rods obtained in Examples 1 and 2 are subjected to determinations of the cesium content and of the associated refractive index profile. The composition of the central part of the sticks of the two examples 1 and 2 is 92.1 mol% of
Si02,4,9 mol% de B203 et environ 3 mol% de Cs20 (ce qui correspond à un indice de réfraction de 1,487) avec une quantité de l'ordre de trace d'oxyde de métal alcalin. Dans l'exemple 1, cette composition reste sensiblement la même jusqu'à une couche très mince (ou peau) nettement inférieure à 1 mm à la surface. L'analyse du bâtonnet non poreux de l'exemple 2 indique un indice de réfraction de 1,458 dans une couche superficielle de 1 mm d'épaisseur autour du bâtonnet. Cette valeur de l'indice de réfraction indique qu'il n'y a pas de quantité mesurable de dopant Cs20 dans cette couche. Si02.4.9 mol% of B203 and approximately 3 mol% of Cs20 (which corresponds to a refractive index of 1.487) with an amount of the order of trace of alkali metal oxide. In Example 1, this composition remains substantially the same up to a very thin layer (or skin) significantly less than 1 mm at the surface. Analysis of the non-porous rod of Example 2 indicates a refractive index of 1.458 in a surface layer 1 mm thick around the rod. This value of the refractive index indicates that there is no measurable amount of Cs20 dopant in this layer.
La figure unique est une représentation graphique de la fraction de déchets libérée dans l'environnement après 20 000 années de stockage pour un produit en verre fritté de l'exemple 2 (courbe a) par rapport à des déchets conservés par la technique de fusion de verre de Battelle Pacific Northwest Laboratory, Richland, Washington, EUA (courbe b). The single figure is a graphic representation of the fraction of waste released into the environment after 20,000 years of storage for a sintered glass product of Example 2 (curve a) compared to waste preserved by the melting technique of glass from Battelle Pacific Northwest Laboratory, Richland, Washington, USA (curve b).
Pour permettre des estimations de la diffusivité des ions de césium afin de permettre des estimations de la perte de déchets radioactifs en fonction du temps, on effectue des mesures de conductivité électrique sur les deux produits en verre non poreux obtenus comme indiqué dans les exemples 1 et 2 ci-dessus, et sur un produit en verre (procédé par fusion) provenant de Battelle Pacific Northwest Laboratory. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau II. To allow estimates of the diffusivity of cesium ions in order to allow estimates of the loss of radioactive waste as a function of time, electrical conductivity measurements are carried out on the two non-porous glass products obtained as indicated in Examples 1 and 2 above, and on a glass product (fusion process) from Battelle Pacific Northwest Laboratory. The results obtained are shown in Table II.
Tableau II Table II
Conductivité à deux températures Conductivity at two temperatures
Produit Product
Temp. Temp.
Conductivité Conductivity
Diffusivité1 Diffusivity1
en verre glass
(°C) (° C)
(ohm—m)-1 (ohm — m) -1
(cm2/s) (cm2 / s)
Exemple 1 Example 1
100 100
8 x 10~18 8 x 10 ~ 18
1 x 10-24 1 x 10-24
Exemple 22 Example 22
100 100
9 x 10~16 9 x 10 ~ 16
1,4 xlO"22 1.4 x 10 "22
Battelle3 Battelle3
100 100
3,5 x 10-13 3.5 x 10-13
5,3 x 10~20 5.3 x 10 ~ 20
Exemple 1 Example 1
400 400
1 x 10-9 1 x 10-9
3 xlO-16 3 xlO-16
Exemple 22 Example 22
400 400
3 x 10~8 3 x 10 ~ 8
1 xlO-14 1 xlO-14
Battelle3 Battelle3
400 400
7 x 10~7 7 x 10 ~ 7
2 xlO"13 2 x 10 "13
1 Valeurs calculées en utilisant la relation de Stokes-Einstein; ce sont donc seulement des valeurs estimées. 1 Values calculated using the Stokes-Einstein relation; they are therefore only estimated values.
2 Les résultats rapportés pour l'exemple 2 concernent la couche superficielle seulement. Dans la région centrale, les valeurs sont les mêmes que celles indiquées pour l'exemple 4. 2 The results reported for Example 2 relate to the surface layer only. In the central region, the values are the same as those indicated for example 4.
3 Battelle Pacific Northwest Laboratory, Richland, Washington. Ce produit en verre contient moins de la moitié de la proportion de césium enrobée comme dopant dans les produits en verre des exemples 1 et 2. 3 Battelle Pacific Northwest Laboratory, Richland, Washington. This glass product contains less than half the proportion of cesium coated as a dopant in the glass products of Examples 1 and 2.
Dans le tableau II, la diffusivité est estimée d'après la conductivité en utilisant la relation de Stokes-Einstein. Ces résultats montrent que le produit en verre non poreux des exemples 1 et 2, quand on le compare au produit en verre (obtenu par le procédé de fusion provenant de Battelle Pacific Northwest Laboratory) à la température ambiante, présente des diffusivités qui sont inférieures de plusieurs ordres de grandeur, en dépit du fait que les premiers produits contiennent une proportion de dopant plus que double de celle du dernier produit. D'après les résultats, la perte théorique de poids après 20 000 années d'exposition à un piège parfait (matière qui ne permet pas l'accumulation de molécules ou atomes diffusés à la frontière, ce qui est l'estimation la plus pessimiste) est représentée sur la figure unique en fonction de la température de stockage pour un produit en bâtonnet non poreux obtenu conformément au procédé décrit dans l'exemple 2. In Table II, the diffusivity is estimated from the conductivity using the Stokes-Einstein relationship. These results show that the non-porous glass product of Examples 1 and 2, when compared to the glass product (obtained by the melting process from Battelle Pacific Northwest Laboratory) at room temperature, has diffusivities which are lower than several orders of magnitude, despite the fact that the first products contain a proportion of dopant more than double that of the last product. According to the results, the theoretical weight loss after 20,000 years of exposure to a perfect trap (matter that does not allow the accumulation of molecules or atoms scattered at the border, which is the most pessimistic estimate) is shown in the single figure as a function of the storage temperature for a non-porous stick product obtained according to the process described in Example 2.
Exemple 3: Example 3:
Une préforme de verre poreux (en forme de bâtonnet) préparée comme décrit dans l'exemple 1 est plongée dans une solution contenant 95 g de Sr(N03)2 par 100 cm3 d'eau à 60° C. On laisse tremper le bâtonnet dans cette solution pendant 4 h, puis on enlève le bâtonnet de la solution et on le place dans de l'alcool isopropylique s A porous glass preform (in the form of a stick) prepared as described in Example 1 is immersed in a solution containing 95 g of Sr (N03) 2 per 100 cm3 of water at 60 ° C. The stick is left to soak in this solution for 4 h, then remove the stick from the solution and place it in isopropyl alcohol s
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
7 7
633499 633499
froid. Une précipitation de SrN03 se produit lentement dans la structure poreuse, demandant 2 à 3 h pour être complète. On trempe ensuite le bâtonnet dans une solution constituée de 66% d'éthanol et de 34% d'eau à 0°C pendant 5 h pour enlever le dopant SrN03 d'une région d'enveloppe à la surface du bâtonnet. Finalement, on plonge le bâtonnet dans un mélange froid de 90% d'éthanol et de 10% cold. A precipitation of SrN03 occurs slowly in the porous structure, requiring 2 to 3 hours to be complete. The stick is then dipped in a solution consisting of 66% ethanol and 34% water at 0 ° C for 5 h to remove the dopant SrN03 from an envelope region on the surface of the stick. Finally, the stick is immersed in a cold mixture of 90% ethanol and 10%
d'eau, puis dans un bain d'isopropanol froid. Ensuite, le bâtonnet est séché et affaissé (fritté) comme dans les exemples 1 et 2, en commençant par une étape sous vide pendant 24 h à 0°C. Le bâtonnet, quand on l'enlève du four après le frittage, contient du strontium incorporé dans la structure du verre de sa région centrale; la région d'enveloppe est sensiblement exempte de strontium. of water, then in a cold isopropanol bath. Then, the stick is dried and collapsed (sintered) as in Examples 1 and 2, starting with a step under vacuum for 24 h at 0 ° C. When removed from the oven after sintering, the stick contains strontium incorporated into the structure of the glass in its central region; the envelope region is substantially free of strontium.
Exemple 4: Example 4:
Une préforme de verre poreux en forme de bâtonnet préparée dans l'exemple 1 est mise à tremper pendant 3 h dans une solution à 100°C contenant 25 g de H3B03,0,27 g de Fe(N03)3'9H20,0,27 g de Cs(N03), 0,27 g de Sr(N03)2,0,27 g de Co(N03)26H20,0,27 g de Cr(N03)3'9H20, 80 cm3 d'eau et 1 cm3 de HN03 (concentration molaire 13,4). On enlève le bâtonnet de la solution et on le plonge ensuite dans de l'eau à 0° C pendant 30 min et on le sèche sous vide à 0° C pendant 24 h. On chauffe ensuite le bâtonnet à une vitesse de 15°C/h à 625° C sous vide pour éliminer le solvant restant et pour décomposer les dopants nitrates de métaux, puis on le chauffe à une vitesse de 50°C/h à 850° C sous vide pour affaisser les pores et consolider le verre. Le produit final est un verre non poreux contenant Si02, B203 et les oxydes de Cs, Sr, Fe, Co et Cr comme partie intégrante de la matrice. L'étape d'immersion dans l'eau après l'étape de trempage (bourrage) diminue la concentration du dopant près de la surface du bâtonnet. Le bâtonnet peut aussi être trempé dans de l'acétate de méthyle ou de l'acétone après élimination d'une partie de la solution de bourrage, de manière à former une région d'enveloppe à la surface du bâtonnet avec de plus faibles concentrations du dopant. Les bâtonnets préparés de cette dernière manière présentent toutefois une tendance à se fendre longitudinalement durant les étapes de séchage et d'affaissement. Ce fondage longitudinal des bâtonnets n'est cependant pas nuisible pour la fixation et l'immobilisation de la matière radioactive dans les bâtonnets. A porous glass preform in the form of a stick prepared in Example 1 is soaked for 3 h in a solution at 100 ° C. containing 25 g of H3B03.0.27 g of Fe (N03) 3'9H20,0, 27 g of Cs (N03), 0.27 g of Sr (N03) 2.0.27 g of Co (N03) 26H20.0.27 g of Cr (N03) 3'9H20, 80 cm3 of water and 1 cm3 of HN03 (molar concentration 13.4). The stick is removed from the solution and then immersed in water at 0 ° C for 30 min and dried in vacuo at 0 ° C for 24 h. The stick is then heated at a speed of 15 ° C / h to 625 ° C under vacuum to remove the remaining solvent and to decompose the nitrates of metal dopants, then it is heated at a speed of 50 ° C / h to 850 ° C vacuum to collapse the pores and consolidate the glass. The final product is a non-porous glass containing Si02, B203 and the oxides of Cs, Sr, Fe, Co and Cr as an integral part of the matrix. The water immersion step after the soaking (stuffing) step decreases the concentration of the dopant near the surface of the stick. The stick can also be soaked in methyl acetate or acetone after removal of part of the stuffing solution, so as to form an envelope region on the surface of the stick with lower concentrations of the doping. Rods prepared in the latter manner, however, have a tendency to split longitudinally during the drying and sagging steps. This longitudinal founding of the rods is not, however, harmful for the fixing and immobilization of the radioactive material in the rods.
Exemple 5: Example 5:
On prépare une solution comprenant: A solution is prepared comprising:
12,9gdeSr(N03)2 18gdeRb(N03) 12.9gdeSr (N03) 2 18gdeRb (N03)
15,9gdeBa(N03)2 104,1 g de Zr(N03)4'5H20 153,6 g de Fe(N03)3'9H20 4,2 g de Co(N03)2 6H20 15.9 gdeBa (N03) 2 104.1 g Zr (N03) 4'5H20 153.6 g Fe (N03) 3'9H20 4.2 g Co (N03) 2 6H20
21.3 g de Ni(N03)2 6H20 12,3gdeCs(No3) 21.3 g of Ni (N03) 2 6H20 12.3gdeCs (No3)
89.4 g de mélange de nitrates de terres rares et assez d'eau pour causer la dissolution des dopants métalliques à 100°C environ. Une préforme de verre poreux (en forme de bâtonnet) préparée comme décrit dans l'exemple 1 est mise à tremper dans la solution (de bourrage) ci-dessus pendant 3 h. Le bâtonnet est ensuite enlevé de la solution et placé dans une solution 3N de HN03 à 0°C pendant 10 min. Le bâtonnet est ensuite mis à tremper dans de l'acétone pendant 2 h à 0°C et ensuite placé dans une chambre de séchage maintenue à 0° C avec un moyen de pompage aspirant pendant une période de 24 h (pour enlever le solvant du bâtonnet). Ensuite, on chauffe le bâtonnet sous vide à 650° C à une vitesse de 15°C/h. Le bâtonnet est maintenu à 625° C pendant 24 h sous vide, puis chauffé lentement à 840° C, également sous vide, de manière qu'on obtienne un état fortement réduit pour les dopants de déchets contenus dans la structure poreuse de la préforme. Le bâtonnet est fritté au voisinage de 840° C et forme un produit solide en verre non poreux avec les déchets comme partie intégrante de sa structure. 89.4 g of mixture of rare earth nitrates and enough water to cause the dissolution of metal dopants at around 100 ° C. A porous glass preform (in the form of a stick) prepared as described in Example 1 is soaked in the solution (for stuffing) above for 3 h. The stick is then removed from the solution and placed in a 3N solution of HNO 3 at 0 ° C for 10 min. The stick is then soaked in acetone for 2 h at 0 ° C and then placed in a drying chamber maintained at 0 ° C with suction pumping means for a period of 24 h (to remove the solvent from the rod). Then, the stick is heated under vacuum to 650 ° C at a rate of 15 ° C / h. The stick is kept at 625 ° C for 24 h under vacuum, then slowly heated to 840 ° C, also under vacuum, so that a greatly reduced state is obtained for the waste dopants contained in the porous structure of the preform. The rod is sintered in the vicinity of 840 ° C. and forms a solid non-porous glass product with the waste as an integral part of its structure.
Exemple 6: Example 6:
On utilise dans cet exemple une solution contenant 10 constituants majeurs d'une composition typique de déchets radioactifs souvent appelés PW8a. Les concentrations relatives de ces constituants sont représentatives de la composition du courant de déchets avec un facteur de reconcentration de trois. La solution contient les matières suivantes: In this example, a solution containing 10 major constituents of a typical composition of radioactive waste often called PW8a is used. The relative concentrations of these constituents are representative of the composition of the waste stream with a reconcentration factor of three. The solution contains the following materials:
148.8 g de Fe(N03)3'9H20 21,3 g de U02(N03)26H20 33,6 g de NaN03 148.8 g Fe (N03) 3'9H20 21.3 g U02 (N03) 26H20 33.6 g NaN03
18,6 g de Zr(N03)4-5H20 19,8 g de Nd(N03)3-5H20 9,0 g de Ce(N03)3'6H20 4,2 g de La(N03)3'6H20 4,2 g de CsN03 2,4 g de Sr(N03)2 3,0 g de Ba(N03)2 18.6 g of Zr (N03) 4-5H20 19.8 g of Nd (N03) 3-5H20 9.0 g of Ce (N03) 3'6H20 4.2 g of La (N03) 3'6H20 4, 2 g CsN03 2.4 g Sr (N03) 2 3.0 g Ba (N03) 2
264.9 g de HN03 150mlH20 264.9 g HN03 150mlH20
On ajoute des quantités suffisantes d'eau et d'acide nitrique comme indiqué ci-dessus pour maintenir en solution les nitrates métalliques ci-dessus. La préparation de la solution est effectuée d'une manière échelonnée avec des niveaux de température qui varient; la température finale étant de 99° C. Sufficient amounts of water and nitric acid are added as indicated above to maintain the above metal nitrates in solution. The preparation of the solution is carried out in a staggered manner with varying temperature levels; the final temperature being 99 ° C.
Six bâtonnets poreux préparés comme dans les exemples 1 et 2 sont plongés dans la solution ci-dessus maintenue à 99° C pendant 3 h, rincés dans de l'eau à 20° C pendant 5 s et ensuite placés dans un dessiccateur maintenu à 20° C pendant 16 h (ci-après bâtonnets non revêtus). Trois bâtonnets non revêtus sont enlevés du dessiccateur et soumis aux traitements d'immersion suivants pour produire une région d'enveloppe à la surface du bâtonnet présentant une plus faible concentration des dopants (déchets) que la portion intérieure centrale du bâtonnet (ci-après bâtonnets revêtus): 30 min dans de l'isopropanol contenant 8% en poids de U02(N03)2 6H20,4% en poids de Ce(N03)2'6H20 et 2% en poids de La(N03)3 5H20, et 30 min supplémentaires dans une autre solution de 80% de chloroforme et 20% d'isopropanol. Ces trois bâtonnets revêtus sont ensuite séchés pendant 24 h à 0°C sous moins de 1 mm de Hg; ensuite on les place dans un four avec les 3 bâtonnets non revêtus restants à la température ambiante et on les chauffe à 625° C à une vitesse de 15°C/h sous vide pour éliminer les solvants et pour décomposer les dopants nitrates de métaux en oxydes de métaux. Les bâtonnets sont groupés en trois paires, un revêtu et un non revêtu. Chaque paire est ensuite chauffée à 50°C/h dans des environnements différents, à savoir a, b ou c ci-dessous: Six porous sticks prepared as in Examples 1 and 2 are immersed in the above solution maintained at 99 ° C for 3 h, rinsed in water at 20 ° C for 5 s and then placed in a desiccator kept at 20 ° C for 16 h (hereinafter uncoated sticks). Three uncoated sticks are removed from the desiccator and subjected to the following immersion treatments to produce an envelope region on the surface of the stick having a lower concentration of dopants (waste) than the central inner portion of the stick (hereinafter sticks coated): 30 min in isopropanol containing 8% by weight of U02 (N03) 2 6H20.4% by weight of Ce (N03) 2'6H20 and 2% by weight of La (N03) 3 5H20, and 30 additional min in another solution of 80% chloroform and 20% isopropanol. These three coated rods are then dried for 24 h at 0 ° C under less than 1 mm of Hg; then place them in an oven with the 3 remaining uncoated sticks at room temperature and heat them to 625 ° C at a speed of 15 ° C / h under vacuum to remove the solvents and to decompose the nitrates dopants of metals into metal oxides. The sticks are grouped in three pairs, one coated and one uncoated. Each pair is then heated to 50 ° C / h in different environments, namely a, b or c below:
a) 95% de N2 et 5% de H2 sous 1 atm (conditions fortement réductrices), a) 95% of N2 and 5% of H2 under 1 atm (strongly reducing conditions),
b) sous vide, c'est-à-dire moins de 1 mm de Hg (conditions modérément réductrices); et c) 1 atm d'air (conditions oxydantes). b) under vacuum, that is to say less than 1 mm of Hg (moderately reducing conditions); and c) 1 atm of air (oxidizing conditions).
A 860° C environ, un frittage et un affaissement de la structure poreuse des bâtonnets se produit. At about 860 ° C, sintering and sagging of the porous structure of the sticks occurs.
L'analyse des 3 paires résultantes de bâtonnets de verre non poreux indique que les oxydes de métaux dopants sont à des degrés d'oxydation variant de manière appropriée. Il est bien évident que, par la mise en œuvre de l'invention, on peut obtenir de nouveaux produits en verre non poreux, chimiquement inerte, contenant des matières radioactives (à leur plus bas degré d'oxydation), par exemple les actinides, matières radioactives enrobées et immobilisées pour des périodes extraordinairement longues, par exemple des siècles. Analysis of the 3 resulting pairs of non-porous glass rods indicates that the doping metal oxides are at varying degrees of oxidation. It is quite obvious that, by implementing the invention, it is possible to obtain new non-porous glass products, chemically inert, containing radioactive materials (at their lowest degree of oxidation), for example actinides, radioactive material coated and immobilized for extraordinarily long periods, for example centuries.
B. Gaz B. Gas
Divers modes de mise en œuvre de l'invention, comme indiqué ci-après, concernent des procédés nouveaux pour l'encapsulation et l'immobilisation de gaz radioactifs dans du verre. Various embodiments of the invention, as indicated below, relate to new methods for the encapsulation and immobilization of radioactive gases in glass.
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10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
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o o o o
Un tel procédé nouveau est illustré par les exemples 7 et 8 dans lesquels le bâtonnet de verre poreux, comme hôte, est partiellement séché à 0°C sous vide pendant 24 h environ, puis séché encore sous vide par chauffage progressif à une température de séchage plus élevée qui est inférieure de 50 à 150°C à la température de transition vitreuse du verre consolidé non dopé utilisé comme hôte. Cette température de séchage est de 625° C environ pour le bâtonnet de verre poreux utilisé. A 625° C, un ou plusieurs gaz radioactifs sont introduits dans la chambre fermée contenant le bâtonnet. La température est maintenue à 625° C pendant 24 h environ, puis le bâtonnet est chauffé à environ 50° C/h jusqu'à 835-900°C, où un frittage se produit sous une atmosphère des gaz radioactifs, emprisonnant ainsi les gaz dissous dans la matrice de verre. Si on le désire, les vitesses de chauffage et les températures de maintien peuvent être facilement modifiées. Un chauffage rapide peut, dans certains cas, rompre le bâtonnet. Cette rupture, toutefois, n'a pas d'effet sur la fixation et l'immobilisation du gaz radioactif dans le verre hôte. Such a new process is illustrated by Examples 7 and 8 in which the porous glass rod, as a host, is partially dried at 0 ° C under vacuum for approximately 24 h, then further dried under vacuum by progressive heating to a drying temperature higher which is 50 to 150 ° C lower than the glass transition temperature of the undoped consolidated glass used as a host. This drying temperature is approximately 625 ° C. for the porous glass stick used. At 625 ° C, one or more radioactive gases are introduced into the closed chamber containing the stick. The temperature is maintained at 625 ° C for approximately 24 h, then the stick is heated at approximately 50 ° C / h to 835-900 ° C, where sintering occurs under an atmosphere of radioactive gases, thus trapping the gases dissolved in the glass matrix. If desired, the heating rates and holding temperatures can be easily changed. Rapid heating can, in some cases, break the stick. This rupture, however, has no effect on the fixation and immobilization of the radioactive gas in the host glass.
Selon un deuxième procédé nouveau, le bâtonnet de verre poreux est plongé dans une solution contenant un ou plusieurs dopants. Si on le désire, ces dopants peuvent être choisis de manière à augmenter la solubilité des déchets gazeux radioactifs dans le bâtonnet. Après diffusion des dopants dans les pores du bâtonnet de verre, on enlève le bâtonnet de la solution dopante et on le plonge dans un solvant exempt de dopant. Si on le désire, on peut faire varier de diverses façons la concentration des dopants dans la structure poreuse. Tout d'abord, pour ne pas avoir de variation de la concentration des dopants dans le bâtonnet de verre, on choisira le bain de solvant de manière à causer une précipitation des dopants uniformément dans les pores du bâtonnet. Ensuite, on enlève le solvant et on sèche le bâtonnet. En deuxième lieu (voir exemple 9), si on désire une couche exempte de dopant formant la surface du bâtonnet, le dopant est précipité comme dans le premier cas, mais ensuite on transfère le bâtonnet à un autre solvant ou à d'autres solvants, de manière que le dopant dans la couche superficielle soit redissous et puisse diffuser hors du bâtonnet, avant séchage. En troisième lieu, si on désire une variation échelonnée du dopant dans la structure du bâtonnet, on trempe d'abord le bâtonnet dans un solvant qui ne précipite pas le dopant et permet sa diffusion hors de la structure poreuse. On le transfère ensuite à un autre solvant ou à d'autres solvants qui causent une précipitation, et ensuite on sèche le bâtonnet. According to a second new method, the porous glass rod is immersed in a solution containing one or more dopants. If desired, these dopants can be chosen to increase the solubility of the radioactive gaseous waste in the rod. After diffusion of the dopants in the pores of the glass rod, the rod is removed from the doping solution and it is immersed in a solvent free of dopant. If desired, the concentration of dopants in the porous structure can be varied in various ways. First of all, in order not to have a variation in the concentration of dopants in the glass rod, the solvent bath will be chosen so as to cause precipitation of the dopants uniformly in the pores of the rod. Then remove the solvent and dry the stick. Secondly (see example 9), if a layer free of dopant forming the surface of the rod is desired, the dopant is precipitated as in the first case, but then the rod is transferred to another solvent or to other solvents, so that the dopant in the surface layer is redissolved and can diffuse out of the stick, before drying. Thirdly, if a staggered variation of the dopant in the structure of the rod is desired, the rod is first dipped in a solvent which does not precipitate the dopant and allows its diffusion out of the porous structure. It is then transferred to another solvent or other solvents which cause precipitation, and then the stick is dried.
Si on le désire, l'étape de séchage peut commencer à 0° C sous vide. Les bâtonnets sont ensuite chauffés lentement, c'est-à-dire à une vitesse de 15° C/h, à 625° C sous vide pour éliminer le solvant restant et permettre la décomposition du dopant. A 625° C, un ou plusieurs gaz radioactifs sont introduits dans la chambre de chauffage contenant les bâtonnets poreux et la température est maintenue à 625° C pendant 24 h environ. On chauffe ensuite les bâtonnets à une vitesse de 50°C/h à 835-900°C, où un frittage se produit, incorporant ainsi le gaz dissous dans la matrice de verre. If desired, the drying step can start at 0 ° C under vacuum. The rods are then heated slowly, that is to say at a rate of 15 ° C / h, at 625 ° C under vacuum to remove the remaining solvent and allow the decomposition of the dopant. At 625 ° C, one or more radioactive gases are introduced into the heating chamber containing the porous sticks and the temperature is maintained at 625 ° C for approximately 24 h. The rods are then heated at a rate of 50 ° C / h to 835-900 ° C, where sintering occurs, thereby incorporating the dissolved gas in the glass matrix.
Selon un troisième procédé nouveau, on peut produire une variation radiale dans la concentration des gaz radioactifs dissous dans la structure du verre. Ici, le bâtonnet de verre poreux est dopé avec une matière qui abaissera sa température de transition vitreuse comme du potassium sous la forme de nitrate de potassium. Après diffusion complète du dopant dans les pores du bâtonnet, le dopant est précipité dans les pores soit thermiquement par refroidissement du bâtonnet, soit en introduisant un solvant ayant une très faible solubilité pour le dopant. Le bâtonnet est ensuite plongé dans un solvant ayant une solubilité de 5 à 10% pour le dopant, de manière à enlever le dopant d'une couche adjacente à la surface du bâtonnet. Après séchage du solvant, le bâtonnet aura une forte concentration de dopant à l'intérieur et une faible concentration dans sa couche superficielle. Comme résultat, le bâtonnet aura une température de frittage plus élevée pour sa couche superficielle et une température de frittage plus basse pour son intérieur. L'échantillon est séché sous vide à 0°C pendant 24 h environ. Il est ensuite chauffé à 600° C sous vide à 15° C/h. A 600° C, un ou plusieurs gaz radioactifs sont introduits dans la chambre contenant le bâtonnet. La température est ensuite élevée lentement jusqu'à ce que la région intérieure du bâtonnet de verre poreux soit frittée, tout en restant au-dessous de la température à laquelle la région extérieure du bâtonnet se fritte. Les gaz radioactifs sont alors enlevés de l'environnement du bâtonnet et on élève la température pour fritter la couche superficielle. Par ce procédé, la région intérieure du bâtonnet contiendra des gaz radioactifs dissous, tandis que la couche superficielle sera sensiblement exempte de gaz radioactifs dissous. According to a third new process, it is possible to produce a radial variation in the concentration of radioactive gases dissolved in the structure of the glass. Here, the porous glass rod is doped with a material that will lower its glass transition temperature like potassium in the form of potassium nitrate. After complete diffusion of the dopant in the pores of the rod, the dopant is precipitated in the pores either thermally by cooling the rod, or by introducing a solvent having a very low solubility for the dopant. The rod is then immersed in a solvent having a solubility of 5 to 10% for the dopant, so as to remove the dopant from a layer adjacent to the surface of the rod. After the solvent has dried, the rod will have a high concentration of dopant inside and a low concentration in its surface layer. As a result, the stick will have a higher sintering temperature for its surface layer and a lower sintering temperature for its interior. The sample is dried under vacuum at 0 ° C for approximately 24 h. It is then heated to 600 ° C under vacuum at 15 ° C / h. At 600 ° C, one or more radioactive gases are introduced into the chamber containing the stick. The temperature is then slowly raised until the inner region of the porous glass rod is sintered, while remaining below the temperature at which the outer region of the rod sintered. The radioactive gases are then removed from the environment of the rod and the temperature is raised to sinter the surface layer. By this method, the interior region of the rod will contain dissolved radioactive gases, while the surface layer will be substantially free of dissolved radioactive gases.
Exemple 7: Example 7:
Une préforme de verre poreux préparée comme décrit dans l'exemple 1 est plongée dans du méthanol pendant 3 h à la température ambiante. Elle est ensuite transférée à une chambre de séchage maintenue à 0°C pendant 24 h avec un moyen de pompage aspirant fonctionnant de manière à sécher le bâtonnet. On chauffe le bâtonnet à 650° C à une vitesse de 50° C/h pour compléter le séchage. A 650° C, on introduit du Kr gazeux dans la chambre contenant un bâtonnet à 1 atm. Le bâtonnet est ensuite maintenu à 650° C pendant 18 h dans un environnement de Kr et chauffé à 880° C de manière qu'on obtienne un frittage dans l'environnement de Kr, emprisonnant ainsi le Kr gazeux dissous dans la matrice de verre. A porous glass preform prepared as described in Example 1 is immersed in methanol for 3 h at room temperature. It is then transferred to a drying chamber maintained at 0 ° C for 24 h with a suction pumping means operating so as to dry the stick. The stick is heated to 650 ° C at a rate of 50 ° C / h to complete drying. At 650 ° C., gaseous Kr is introduced into the chamber containing a stick at 1 atm. The stick is then kept at 650 ° C for 18 h in a Kr environment and heated to 880 ° C so that a sintering in the Kr environment is obtained, thus trapping the gaseous Kr dissolved in the glass matrix.
Exemple 8: Example 8:
On répète le mode opératoire de l'exemple 7, à ceci près qu'au lieu de krypton, on introduit de l'iode gazeux dans la chambre à 650° C en faisant bouillir des pastilles d'iode de manière à obtenir une atmosphère d'iode à une pression de 0,1 bar. On maintient le bâtonnet pendant 18hà650°Cdanscet environnement d'iode et on le chauffe à 880°C pour obtenir un frittage des pores du bâtonnet, emprisonnant ainsi l'iode gazeux dissous dans la matrice de verre, comme montré par une couleur rose du produit bâtonnet de verre non poreux résultant. The procedure of Example 7 is repeated, except that instead of krypton, iodine gas is introduced into the chamber at 650 ° C. by boiling iodine pellets so as to obtain an atmosphere of 'iodine at a pressure of 0.1 bar. The stick is kept for 18 h at 650 ° C. in this iodine environment and it is heated to 880 ° C. to obtain a sintering of the pores of the stick, thus trapping the iodine gas dissolved in the glass matrix, as shown by a pink color of the product. resulting non-porous glass stick.
Exemple 9: Example 9:
Cet exemple illustre l'incorporation à la fois d'un dopant solide dissous et d'un dopant gazeux dans la matrice de verre. This example illustrates the incorporation of both a dissolved solid dopant and a gaseous dopant in the glass matrix.
Une préforme de verre poreux préparée comme décrit dans l'exemple 1 est plongée dans une solution à 67% en poids de CsN03 à 105°C pendant 4 h. Le bâtonnet est ensuite transféré et plongé dans de l'eau pure à 0° C pour causer une précipitation du nitrate de césium dans les pores du bâtonnet. La précipitation totale demande 30 s. On laisse le bâtonnet dans l'eau à 0°C pendant 3 h pour causer une variation de la concentration du nitrate de césium dans les pores, donnant une couche cylindrique exempte de nitrate de césium adjacente à la surface. Le bâtonnet est ensuite transféré et plongé dans du méthanol à 0°C et y est maintenu pendant 3 h pour réduire encore la concentration du nitrate de césium à la surface. On commence le séchage immédiatement après en plaçant le bâtonnet dans une chambre à vide à 0°C pendant 24 h. Ensuite, on chauffe le bâtonnet à 625° C à une vitesse de 15° C/h pour compléter le séchage et pour causer la décomposition du nitrate de césium en oxyde de césium. Le bâtonnet est maintenu sous vide à 625° C pendant 24 h. On introduit ensuite du krypton gazeux dans la chambre jusqu'à ce qu'une pression de 1 atm soit atteinte. On maintient le bâtonnet à 625° C pendant 24 h supplémentaires dans cet environnement de Kr, avec ensuite chauffage à 50° C/h à la température de frittage du bâtonnet de manière à encapsuler et à immobiliser ainsi le Kr dissous en même temps que Cs dans la matrice de verre. A porous glass preform prepared as described in Example 1 is immersed in a 67% by weight solution of CsN03 at 105 ° C for 4 h. The rod is then transferred and immersed in pure water at 0 ° C to cause precipitation of cesium nitrate in the pores of the rod. Total precipitation takes 30 s. The stick is left in water at 0 ° C for 3 h to cause a change in the concentration of cesium nitrate in the pores, giving a cylindrical layer free of cesium nitrate adjacent to the surface. The stick is then transferred and immersed in methanol at 0 ° C and is kept there for 3 h to further reduce the concentration of cesium nitrate on the surface. Drying is started immediately afterwards by placing the stick in a vacuum chamber at 0 ° C for 24 h. Then, the stick is heated to 625 ° C at a rate of 15 ° C / h to complete drying and to cause the decomposition of cesium nitrate to cesium oxide. The stick is kept under vacuum at 625 ° C for 24 h. Gaseous krypton is then introduced into the chamber until a pressure of 1 atm is reached. The rod is kept at 625 ° C. for an additional 24 h in this environment of Kr, then heating to 50 ° C./h at the sintering temperature of the rod so as to encapsulate and thus immobilize the dissolved Kr at the same time as Cs in the glass matrix.
Comme résultat de l'enrobage amélioré des matières radioactives, spécialement des déchets nucléaires radioactifs selon l'invention, ces matières radioactives peuvent trouver une utilité avantageuse pour l'humanité au lieu de constituer une menace irrépressible à la vie sur la terre. Quelques exemples d'applications utiles vont être examinés ci-après. As a result of the improved coating of radioactive materials, especially radioactive nuclear waste according to the invention, these radioactive materials can find an advantageous benefit for humanity instead of constituting an irrepressible threat to life on earth. Some examples of useful applications will be discussed below.
Après frittage du verre poreux, les éléments radioactifs sont complètement enrobés dans la matrice en verre. Ces éléments radioactifs sont chimiquement liés et immobilisés dans le nouvel article en verre et dans une telle forme représentent un emprisonnement sûr, After sintering the porous glass, the radioactive elements are completely embedded in the glass matrix. These radioactive elements are chemically bound and immobilized in the new glass item and in such a form represent a safe confinement,
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d'une durée extraordinairement longue, des courants pernicieux et dangereux de déchets nucléaires radioactifs. Les nouveaux articles en verre peuvent être transportés avec peu de risques de fuite des isotopes radioactifs dans l'environnement. Ils peuvent être déposés dans des abris souterrains pour stockage de longue durée. Ces abris 5 doivent se trouver de préférence à plus de 300 m au-dessous de la surface du sol. of an extraordinarily long duration, pernicious and dangerous streams of radioactive nuclear waste. New glassware can be transported with little risk of the radioactive isotopes leaking into the environment. They can be placed in underground shelters for long-term storage. These shelters 5 should preferably be more than 300 m below the ground surface.
Certains isotopes radioactifs, comprenant des isotopes qui ne proviennent pas de déchets radioactifs, peuvent être utilisés pour des applications avantageuses poutôt que pour stockage. Ces applica- io tions comprennent la stérilisation d'articles d'alimentation et de médicaments par destruction des bactéries, des virus et d'autres microorganismes; l'utilisation dans des instruments médicaux et industriels, dans des dispositifs d'enseignement et dans la recherche. Pour la stérilisation, des articles en verre contenant des isotopes 15 choisis comprenant du césium, du strontium et du cobalt radioactifs peuvent être utilisés pour la conservation d'aliments et pour la récupération des substances nutritives dans les boues des eaux d'égout pour inclusion dans le cycle alimentaire. Ces applications ne sont pas largement utilisées commercialement aujourd'hui parce que l'on doit trouver des récipients appropriés pour empêcher la contamination des articles d'alimentation par les isotopes radioactifs et pour empêcher la haute probabilité associée d'empoisonnement par radiation qui résulterait de leur ingestion. La présente invention permettra l'utilisation de matières radioactives qui sont produites en grandes quantités dans les réacteurs nucléaires en les enrobant d'une manière sûre, comme décrit ici, pour stériliser des produits alimentaires. Certain radioactive isotopes, including isotopes which do not come from radioactive waste, can be used for advantageous applications as soon as for storage. These applications include sterilizing food items and drugs by destroying bacteria, viruses and other microorganisms; use in medical and industrial instruments, in teaching devices and in research. For sterilization, glassware containing selected isotopes including radioactive cesium, strontium and cobalt can be used for food preservation and for the recovery of nutrients from sewage sludge for inclusion in the food cycle. These applications are not widely used commercially today because suitable containers must be found to prevent contamination of food items with radioactive isotopes and to prevent the associated high probability of radiation poisoning that would result from their ingestion. The present invention will allow the use of radioactive materials which are produced in large quantities in nuclear reactors by safely coating them, as described herein, to sterilize food products.
L'enrobage sûr des déchets radioactifs dans des articles en verre selon la présente invention permet aussi leur utilisation dans des instruments médicaux, industriels, d'enseignement et de recherche où des sources de rayonnement sont nécessaires pour ionisation, stérilisation, irradiation de patients, contrôle de qualité et divers matériels pour la détection de défauts dans des matières par irradiation gamma. The safe coating of radioactive waste in glass articles according to the present invention also allows their use in medical, industrial, teaching and research instruments where radiation sources are necessary for ionization, sterilization, irradiation of patients, control. of quality and various materials for the detection of defects in materials by gamma irradiation.
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