ITRM20120230A1 - DEVELOPMENT OF A SPECIAL GLAZING MATRIX WITH PARTICULAR PHYSICAL AND NUCLEAR CHEMICAL PROPERTIES FOR USE IN A SAFETY PROCESS THROUGH THE ENLARGEMENT OF AN IRRAGED NUCLEAR COMBUSTIBLE ELEMENT DAMAGED DUE TO EVENT - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Sviluppo di una speciale matrice vetrosa, avente particolari proprietà chimico-fìsiche e nucleari, per l'utilizzo in un processo di messa in sicurezza, mediante inglobamento, di un elemento combustibile nucleare irraggiato, danneggiato a seguito di evento incidentale eccezionale. Estensione del brevetto all'utilizzo della speciale matrice vetrosa per il condizionamento di particolari rifiuti radioattivi a bassa/media attività e di rifiuti altamente tossici e nocivi. Development of a special vitreous matrix, having particular chemical-physical and nuclear properties, for use in a process of securing, by incorporating, an irradiated nuclear fuel element, damaged following an exceptional accident. Extension of the patent to the use of the special vitreous matrix for the conditioning of particular low / medium activity radioactive waste and highly toxic and noxious waste.
1) Campo di riferimento della tecnica e stato dell’arte 1) Field of reference of the technique and state of the art
La presente invenzione riguarda la gestione del combustibile nucleare irraggiato, danneggiato a seguito di eventi incidentali eccezionali, quali, ad esempio, quelli che abbiano causato la perdita di refrigerante in un reattore o in una piscina di deposito del combustibile irraggiato. Allo stato attuale delle conoscenze, quando un elemento di combustibile (“fuel assembly†) presenta micro fessurazioni, dovute ad esempio a fenomeni corrosivi, esso viene rimosso dalla sua sede, posto in un recipiente di contenimento in acciaio inox (denominato anche “bottiglia di contenimento†, o “canister†), chiuso a tenuta con guarnizione e ricollocato a deposito temporaneo in piscina o a secco. The present invention relates to the management of irradiated nuclear fuel, damaged as a result of exceptional accidents, such as, for example, those that have caused the loss of coolant in a reactor or in a storage pool of the irradiated fuel. In the current state of knowledge, when a fuel element (â € œfuel assemblyâ €) presents micro cracks, due for example to corrosive phenomena, it is removed from its seat, placed in a stainless steel container (also called â € œcontainment bottleâ €, or â € œcanisterâ €), sealed with gasket and relocated to temporary storage in the pool or dry.
Una tale soluzione, in caso di combustibile danneggiato in modo severo, con perdita del contenimento rappresentato dalla guaina metallica dell’“assembly†, à ̈ insufficiente, per ragioni di sicurezza, per uno stoccaggio a lungo termine, in quanto un’eventuale perdita di contenimento da parte del suddetto canister, esporrebbe il personale e l’ambiente a inaccettabili rischi radiologici, come conseguenza di estese contaminazioni risultanti. Such a solution, in the event of severely damaged fuel, with loss of containment represented by the metal sheath of the â € œassemblyâ €, is insufficient, for safety reasons, for long-term storage, as a any loss of containment by the aforementioned canister would expose personnel and the environment to unacceptable radiological risks, as a consequence of extensive resulting contamination.
Per tentare di porre rimedio a tale problematica, ed incrementare il livello di sicurezza del canister, in passato si sono proposte alcune soluzioni, tra cui: To try to remedy this problem, and increase the safety level of the canister, some solutions have been proposed in the past, including:
- nel brevetto USP 4650518 (1987) e nel più recente USP 5832392 (1998) come barriera di contenimento si propongono leghe di uranio, che comportano l’utilizzo di tecnologie dedicate e particolarmente onerose; - in USP 4650518 (1987) and in the more recent USP 5832392 (1998) uranium alloys are proposed as containment barrier, which involve the use of dedicated and particularly expensive technologies;
- nel brevetto USP 4950426 (1990) come filler per il recipiente di contenimento (canister) si usa un materiale granulare composto da sabbia, bentonite ed un liquido organico in grado di assorbire le sostanze radioattive; si tratta quindi di una matrice incoerente la cui funzione di barriera appare non pienamente efficace in caso di danneggiamento del recipiente di contenimento. - in USP 4950426 (1990) a granular material composed of sand, bentonite and an organic liquid capable of absorbing radioactive substances is used as filler for the container; it is therefore an incoherent matrix whose barrier function does not appear to be fully effective in case of damage to the containment vessel.
L’invenzione che verrà descritta nel seguito costituisce una nuova proposta di soluzione per il medesimo problema, e consiste nell’ inglobamento dell’intero elemento di combustibile danneggiato in una matrice vetrosa a basso punto di rammollimento specificamente sviluppata (SOGINGLASS F), che va a costituire una ulteriore barriera (in aggiunta al canister esterno) contro la dispersione di materiale radioattivo; come verrà dettagliato nel seguito, tale soluzione risulta allo stesso tempo efficace, sicura, economica e di semplice attuazione impiantistica. The invention that will be described below constitutes a new solution proposal for the same problem, and consists in the incorporation of the entire damaged fuel element in a specifically developed low softening point glass matrix (SOGINGLASS F), which constitutes a further barrier (in addition to the external canister) against the dispersion of radioactive material; as will be detailed below, this solution is at the same time effective, safe, economical and simple to implement.
In passato, sono state fatte varie proposte per affrontare il condizionamento di rifiuti radioattivi: diverse matrici e diversi processi sono stati proposti, con l’obiettivo di creare una barriera efficace alla fuoriuscita di materiale radioattivo verso l’ambiente. In the past, various proposals have been made to address the conditioning of radioactive waste: different matrices and different processes have been proposed, with the aim of creating an effective barrier to the release of radioactive material to the environment.
In tutti i brevetti relativi a questo condizionamento, sia per le composizioni vetrose proposte, che per la modalità operativa scelta -vale a dire miscelazione intima con i rifiuti radioattivi- la temperatura di processo à ̈ elevata, tale da comportare la necessità di complicate e costose soluzioni impiantistiche. In all the patents relating to this conditioning, both for the glass compositions proposed and for the operating mode chosen - that is to say intimate mixing with radioactive waste - the process temperature is high, such as to involve the need for complicated and expensive plant solutions.
In alcuni brevetti che riguardano il condizionamento di rifiuti radioattivi viene proposto l’impiego di vetri, che vengono miscelati con i rifiuti a temperature comprese tra 1150 e 1200°C, con Γ obiettivo di immobilizzare nella matrice vetrosa gli isotopi radioattivi: In some patents concerning the conditioning of radioactive waste, the use of glass is proposed, which is mixed with the waste at temperatures between 1150 and 1200 ° C, with the aim of immobilizing the radioactive isotopes in the glass matrix:
- nel brevetto USP 4847008 (1998) si propone un vetro a base di ossido di piombo, ossido di ferro e fosfato; - in USP 4847008 (1998) a glass based on lead oxide, iron oxide and phosphate is proposed;
- nel brevetto USP 6812174 B2 (2004) si propone l’uso di vetri borosilicati -tradizionalmente impiegati a questo scopo nel campo nucleare- additivati di ossido di litio; - in USP 6812174 B2 (2004) the use of borosilicate glasses - traditionally used for this purpose in the nuclear field - with lithium oxide additives is proposed;
- nel brevetto USP 7825288 B2 (2010), con le stesse finalità del caso precedente, si propone l’aggiunta di fluoro in luogo dell’ossido di litio. - in USP 7825288 B2 (2010), with the same purposes as in the previous case, the addition of fluorine in place of lithium oxide is proposed.
L’impiego della matrice vetrosa a basso punto di rammollimento SOGINGLASS F, sviluppata per questa invenzione, permette l inglobamento anche di rifiuti radioattivi a temperature relativamente basse, minori di 700°C, con tutti i vantaggi che ne conseguono dal punto di vista impiantistico, economico e di sicurezza. The use of the low softening point glass matrix SOGINGLASS F, developed for this invention, also allows the incorporation of radioactive waste at relatively low temperatures, below 700 ° C, with all the ensuing advantages from the plant engineering point of view. , economic and safety.
2) Descrizione dell’invenzione 2) Description of the invention
L'invenzione consiste nello sviluppo di una speciale matrice vetrosa, di seguito denominata SOGINGLASS F, sviluppata in funzione di specifiche necessità connaturate alle particolari condizioni operative, legate al processo di messa in sicurezza, mediante inglobamento in matrice vetrosa, di un elemento combustibile nucleare irraggiato, danneggiato a seguito di evento incidentale eccezionale. The invention consists in the development of a special vitreous matrix, hereinafter referred to as SOGINGLASS F, developed according to specific needs inherent to the particular operating conditions, linked to the process of making safe, by incorporating an irradiated nuclear fuel element into the glass matrix. , damaged following an exceptional accident.
La matrice vetrosa SOGINGLASS F à ̈ caratterizzata da bassa temperatura di rammollimento, buona trasmissione termica, appropriato coefficiente di dilatazione termica - in relazione al materiale della guaina del combustibile - e proprietà di “barriera†dopo raffreddamento. The SOGINGLASS F glass matrix is characterized by low softening temperature, good thermal transmission, appropriate thermal expansion coefficient - in relation to the material of the fuel sheath - and â € œbarrierâ € properties after cooling.
In particolare, la matrice vetrosa, presenta alcune peculiari caratteristiche, quali : In particular, the vitreous matrix has some peculiar characteristics, such as:
a) Temperatura di rammollimento a) Softening temperature
La matrice vetrosa SOGINGLASS F presenta un “softening point†(temperatura alla quale la viscosità à ̈ pari a 10<6'6>Pa-s), che si colloca nell’intervallo di temperature 570 - 620°C, tale da garantire che l’intero processo oggetto della presente invenzione possa svolgersi in condizioni di temperatura non critiche per le componenti strutturali dell’elemento di combustibile. The glass matrix SOGINGLASS F has a â € œsoftening pointâ € (temperature at which the viscosity is equal to 10 <6'6> Pa-s), which is placed in the temperature range 570 - 620 ° C, such as to ensure that the entire process object of the present invention can take place in temperature conditions that are not critical for the structural components of the fuel element.
b) Composizione chimica b) Chemical composition
La matrice vetrosa SOGINGLASS F presenta la seguente composizione percentuale in peso dei principali ossidi: The glass matrix SOGINGLASS F has the following weight percentage composition of the main oxides:
PbO 35-45% PbO 35-45%
ZnO 17-22% ZnO 17-22%
B20315-20% B20315-20%
Si0215-20% Si0215-20%
Na20 4-8% Na20 4-8%
Ai fini di migliorare specifiche proprietà fisico-chimiche, quali per esempio ottimizzare l’adesione del vetro alle differenti leghe metalliche, la resistenza chimica, ecc., oltre agli ossidi principali sopra specificati, possono essere utilizzati nelle composizioni quantità inferiori al 5% dei seguenti ossidi “minori†: K20, CaO, Li20, Ce02. Ai fini di migliorare alcune proprietà termiche (coefficiente di dilatazione) e chimiche (resistenza all’attacco acido/basico), i vetri SOGINGLASS F sono stati caricati sino al 30% in peso con una frazione inorganica LAS Litia-Allumina-Silice, che non entra nella composizione del vetro. In order to improve specific physico-chemical properties, such as for example optimizing the adhesion of glass to the different metal alloys, chemical resistance, etc., in addition to the main oxides specified above, quantities of less than 5% of the following â € œminorâ € oxides: K20, CaO, Li20, Ce02. In order to improve some thermal (expansion coefficient) and chemical (resistance to acid / basic attack) properties, SOGINGLASS F glasses have been loaded up to 30% by weight with an inorganic fraction LAS Lithia-Alumina-Silica, which does not enter the composition of the glass.
Il vetro SOGINGLASS F à ̈ in grado di garantire allo stesso tempo un’ottima resistenza alla dissoluzione in ambiente acquoso e una temperatura di rammollimento sufficientemente bassa da rendere possibile l’ inglobamento degli elementi di combustibile danneggiati a temperature inferiori a quelle critiche per integrità delle guaine metalliche. SOGINGLASS F glass is able to guarantee at the same time an excellent resistance to dissolution in an aqueous environment and a softening temperature low enough to make it possible to incorporate the damaged fuel elements at temperatures lower than those critical for integrity. of the metal sheaths.
c) Conducibilità termica c) Thermal conductivity
Le caratteristiche termiche della matrice vetrosa SOGINGLASS F sono particolarmente rilevanti nel caso di materiali nucleari con significativa generazione di energia termica. The thermal characteristics of the SOGINGLASS F glass matrix are particularly relevant in the case of nuclear materials with significant generation of thermal energy.
Il sistema di confinamento utilizzato nella implementazione del processo di messa in sicurezza di un elemento di combustibile nucleare irraggiato, danneggiato, come meglio descritto al punto 3), à ̈ basato sull’impiego di tale materiale vetroso che, inizialmente in forma solida non coerente, à ̈ portato oltre la temperatura di rammollimento per ottenere un fuso omogeneo, e successivamente raffreddato per ottenere un solido omogeneo in grado di confinare quanto in esso contenuto. The confinement system used in the implementation of the process of securing a damaged, irradiated nuclear fuel element, as better described in point 3), is based on the use of this glassy material which, initially in non-coherent solid form , Is brought beyond the softening temperature to obtain a homogeneous melt, and subsequently cooled to obtain a homogeneous solid capable of confining what it contains.
Dal momento che le caratteristiche termiche di ogni vetro sono fortemente dipendenti dalla temperatura, e che il processo sopradescritto impone condizioni termiche fortemente variabili al sistema (da temperatura ambiente a temperatura di rammollimento nella prima fase, e dalla temperatura di rammollimento a temperatura ambiente nella seconda fase), à ̈ stato usato un modello fisicomatematico per calcolare la conducibilità termica (componente fononica e radiativa) del vetro in funzione delle diverse temperature. Il modello à ̈ stato costruito a partire da evidenze sperimentali relative al materiale vetroso, sia in forma massiva che sotto forma di graniglia incoerente, acquisite a temperatura ambiente così come ad alcune altre temperature significative. Since the thermal characteristics of each glass are strongly dependent on the temperature, and that the process described above imposes highly variable thermal conditions on the system (from room temperature to softening temperature in the first phase, and from the softening temperature to room temperature in the second phase ), A physico-mathematical model was used to calculate the thermal conductivity (phononic and radiative component) of the glass as a function of the different temperatures. The model was built starting from experimental evidence relating to the glassy material, both in massive form and in the form of incoherent grit, acquired at room temperature as well as at some other significant temperatures.
Nel caso del vetro SOGINGLASS F, la conducibilità termica adottata à ̈ stata assunta conservativamente coincidente con la sola componente di conduzione del vetro, pari a 0.6— a temperatura ambiente, m K In the case of SOGINGLASS F glass, the thermal conductivity adopted was conservatively assumed to coincide with only the conducting component of the glass, equal to 0.6â € "at room temperature, m K
trascurando completamente il contributo di trasferimento del calore dovuto all’irraggiamento interno al vetro stesso. completely neglecting the contribution of heat transfer due to the radiation inside the glass itself.
d) Altre proprietà chimiche, termiche, meccaniche d) Other chemical, thermal, mechanical properties
La matrice vetrosa SOGINGLASS F, risponde ai seguenti requisiti minimi: The glass matrix SOGINGLASS F meets the following minimum requirements:
Resistenza alla compressione: maggiore di 5 MPa (determinata in accordo con il Rif. (1) di Tab. 1). Compressive strength: greater than 5 MPa (determined in accordance with Ref. (1) of Tab. 1).
Resistenza ai cicli termici: in ottemperanza al Rif. (2), dopo 30 cicli termici di 24 ore da -40 °C a 40 °C con un’umidità relativa eguale a 90 ± 5 %, non si genera alcuna cricca, e la resistenza a compressione media risulta almeno uguale a 5 MPa, e comunque non minore del 75% rispetto a quella iniziale, determinata in accordo con il Rif. (1). Resistance to thermal cycles: in compliance with Ref. (2), after 30 thermal cycles of 24 hours from -40 ° C to 40 ° C with a relative humidity equal to 90 ± 5%, no crack is generated, and the average compressive strength is at least equal to 5 MPa, and in any case not less than 75% with respect to the initial one, determined in accordance with Ref. (1).
Consistenza del prodoto: la velocità di dissoluzione in acqua a 90°C, determinata secondo la metodologia illustrata nel Rif. (3), ma, in deroga a quanto previsto dalla norma dove à ̈ prevista la misura su materiale in polvere, operando su campioni monolitici di dimensioni 9x4x1 mm, à ̈ inferiore a 1 g/m giorno. Consistency of the product: the speed of dissolution in water at 90 ° C, determined according to the methodology illustrated in Ref. (3), but, notwithstanding the provisions of the standard where the measurement on powdered material is required, by operating on samples monolithic with dimensions 9x4x1 mm, is less than 1 g / m day.
I riferimenti citati nell’elenco sopra riportato sono raccolti nella seguente Tab.l: The references cited in the above list are collected in the following Tab.l:
Rif. (n) Tipologia di Prova Riferimenti Standard Rif. (1) Resistenza alla compressione ASTM C39/C 39M-05 Ref. (N) Type of Test Standard References Ref. (1) Compressive strength ASTM C39 / C 39M-05
Resistenza a variazioni di Resistance to variations of
Rif. (2) UNI 11193:2006 - § 5.2.2 temperatura Ref. (2) UNI 11193: 2006 - § 5.2.2 temperature
Prove di consistenza del Consistency tests of
Rif. (3) prodotto ASTM C1285-02 su campione monolitico Ref. (3) ASTM C1285-02 product on monolithic sample
Tab. 1 : Riferimenti normativi di caratterizzazione Tab. 1: Normative references of characterization
e) Resistenza chimica e) Chemical resistance
Nel caso in cui l’elemento di combustibile riparato mediante il processo oggetto della presente invenzione venga conservato in piscina di deposito, nell’ eventualità di un danneggiamento della strutura del canister in acciaio AISI 316, per esempio a causa di fenomeni corrosivi o incidentali, lo strato di vetro SOGINGLASS F che circonda l’“assembly†potrebbe entrare in contato con l’acqua della piscina. Risulta dunque importante che il vetro non venga severamente aggredito dall’acqua, in modo da garantire che il materiale radioativo dell’elemento, confinato all’interno della matrice vetrosa, rimanga efficacemente isolato dall’ambiente esterno. A tale scopo, la matrice vetrosa SOGINGLASS F à ̈ stata appositamente sviluppata per garantire una velocità di dissoluzione in acqua a 90°C molto bassa, compresa tra 1·10<'5>÷ 4-10<'5>g/cm<2>giorno (valore determinato secondo il metodo riportato al comma d, del punto 2). In the event that the fuel element repaired by the process object of the present invention is stored in the storage pool, in the event of damage to the structure of the canister in AISI 316 steel, for example due to corrosive or accidental phenomena , the layer of SOGINGLASS F glass that surrounds the â € œassemblyâ € could come into contact with the pool water. It is therefore important that the glass is not severely attacked by water, in order to ensure that the radioactive material of the element, confined within the vitreous matrix, remains effectively isolated from the external environment. For this purpose, the SOGINGLASS F glass matrix has been specially developed to ensure a very low dissolution rate in water at 90 ° C, ranging from 1 10 <'5> à 4-10 <' 5> g / cm <2> day (value determined according to the method indicated in paragraph d of point 2).
f) Densità f) Density
La densità del vetro SOGINGLASS F à ̈ compresa tra 4,1 e 4,4 g/cm3. The density of SOGINGLASS F glass is between 4.1 and 4.4 g / cm3.
3) Processo di messa in sicurezza di un elemento di combustibile nucleare irraggiato danneggiato. 3) Process of securing a damaged irradiated nuclear fuel element.
La matrice vetrosa SOGINGLASS F Ã ̈ stata ideata per il processo di messa in sicurezza di un elemento di combustile nucleare irraggiato danneggiato di seguito descritto. The SOGINGLASS F glass matrix was designed for the safety process of a damaged irradiated nuclear fuel element described below.
Il processo consiste nell’ inserimento dell’elemento di combustibile nucleare irraggiato danneggiato in un canister e successivo inglobamento nella matrice vetrosa SOGINGLASS F, mantenendo temperature massime di sicurezza all’ interno dell’elemento stesso. L’elemento di combustibile danneggiato, rimosso dalla sua posizione nel reattore o nella piscina di deposito, à ̈ posto - sotto battente d’acqua - all’interno di un canister, che viene quindi chiuso con coperchio e guarnizioni. Il canister à ̈ quindi trasferito - dopo decontaminazione superficiale - in un’area attrezzata della piscina, indicata nel seguito come unità di condizionamento e di vetrificazione. The process consists of inserting the damaged irradiated nuclear fuel element into a canister and subsequent incorporation into the SOGINGLASS F glass matrix, maintaining maximum safety temperatures inside the element itself. The damaged fuel element, removed from its position in the reactor or in the storage pool, is placed - under the water head - inside a canister, which is then closed with a lid and gaskets. The canister is then transferred - after superficial decontamination - to an equipped area of the swimming pool, indicated below as conditioning and vitrification unit.
Dopo svuotamento e asciugatura con azoto, il canister e l interno del “fuel assembly†sono riempiti con micro particelle di suddetto vetro. L’unità di vetrificazione viene quindi chiusa, svuotata e asciugata. Mediante l’impiego delle piastre radianti presenti nell’unità (necessarie, in particolare, per elementi di combustibile aventi lunghi tempi di raffreddamento e per garantire un’ottimale omogeneità di riscaldamento dell’intero “assembly†) si procede al riscaldamento dall’esterno del canister, con conseguente innalzamento pressoché uniforme della sua temperatura. After emptying and drying with nitrogen, the canister and the interior of the â € œfuel assemblyâ € are filled with micro particles of said glass. The vitrification unit is then closed, emptied and dried. By using the radiant plates present in the unit (necessary, in particular, for fuel elements with long cooling times and to ensure optimal heating homogeneity of the entire â € œassemblyâ €), we proceed to heating from the outside of the canister, resulting in an almost uniform temperature rise.
Superata la temperatura di rammollimento del vetro, quest’ultimo riduce la sua viscosità a tal punto da consentire il totale riempimento con materiale vetroso del volume libero del canister e dell’“assembly†, con conseguente completo inglobamento dell’elemento di combustibile. Once the softening temperature of the glass has been exceeded, the latter reduces its viscosity to the point of allowing the total filling of the free volume of the canister and the â € œassemblyâ € with glass material, with consequent complete incorporation of the fuel.
Dopo raffreddamento controllato, il materiale vetroso solidificato ingloba l’intero elemento di combustibile, costituendo, insieme al canister in acciaio inox, una doppia barriera di contenimento contro le perdite di radioattività . After controlled cooling, the solidified glassy material incorporates the entire fuel element, forming, together with the stainless steel canister, a double containment barrier against radioactivity losses.
Questo processo à ̈ stato oggetto di sperimentazione su scala di laboratorio e di modellizzazione quantitativa con codici di calcolo qualificati per le varie fasi di riscaldamento, inglobamento e raffreddamento di combustibili nucleari irraggiati, con potenze termiche corrispondenti a diversi tempi di decadimento dopo l’estrazione dal reattore. This process has been the subject of laboratory-scale experimentation and quantitative modeling with qualified calculation codes for the various stages of heating, incorporation and cooling of irradiated nuclear fuels, with thermal powers corresponding to different decay times after extraction. from the reactor.
4) Descrizione dettagliata di attuazione dell’invenzione di messa in sicurezza di un elemento di combustibile irraggiato danneggiato e della relativa apparecchiatura, con riferimento a un combustile nucleare tipo BWR e ad operazioni in piscina, sotto battente schermante d’acqua. 4) Detailed description of the implementation of the invention for the safety of a damaged irradiated fuel element and related equipment, with reference to a nuclear fuel type BWR and to operations in swimming pools, under water shielding head.
A titolo semplificativo e non limitativo, il processo (e la relativa apparecchiatura) oggetto dell’invenzione può essere schematizzato in quattro fasi: By way of simplification and not of limitation, the process (and the related equipment) object of the invention can be summarized in four phases:
Fase 1°: Messa in canister dell’elemento di combustibile danneggiato Phase 1: Canister the damaged fuel element
La prima fase prevede la rimozione dell’elemento di combustibile danneggiato dal reattore (o dalla piscina di deposito) e suo inserimento in un canister in acciaio inox, (Figure I, II, III, IV dell’ Allegato 5), chiuso a tenuta con coperchio e guarnizioni. The first phase involves the removal of the damaged fuel element from the reactor (or from the storage pool) and its insertion into a stainless steel canister, (Figures I, II, III, IV of Annex 5), closed at seal with lid and gaskets.
Ai soli fini dell’ ottimizzazione del processo, il canister potrà presentare alcune peculiari proprietà , quali la forma prismatica nella parte inferiore (1), per ottenere un uniforme inglobamento dell’elemento combustibile, e un corpo cilindrico superiore (2). For the sole purpose of optimizing the process, the canister may have some peculiar properties, such as the prismatic shape in the lower part (1), to obtain a uniform incorporation of the fuel element, and an upper cylindrical body (2).
Questi elementi non sono peraltro vincolanti per Γ invenzione, potendosi realizzare con altre geometrie, modalità e tecniche. However, these elements are not binding for invention, as they can be created with other geometries, methods and techniques.
Nel presente esempio, il canister per elementi di combustibile tipo BWR (3) Ã ̈ costituito da un corpo in acciaio inox AISI 316L di altezza complessiva di 5.000 mm, suddiviso in due parti: In this example, the canister for fuel elements type BWR (3) consists of a body in AISI 316L stainless steel with an overall height of 5,000 mm, divided into two parts:
• una inferiore a sezione quadrata 160 x 160 mm, per un’altezza di ca. 4.500 mm, contenente l’elemento di combustibile tipo BWR, anch’esso di forma prismatica, di sezione 134x134 mm, con lunghezza attiva di 4.1 15 mm, che appoggia su un supporto sul fondo del canister (13); â € ¢ a lower square section 160 x 160 mm, for a height of approx. 4,500 mm, containing the BWR type fuel element, also of prismatic shape, with a 134x134 mm section, with an active length of 4.1 15 mm, which rests on a support on the bottom of the canister (13);
• una superiore a sezione circolare Φi= 260 mm, h = 500 mm, con flangia e coperchio, di volume utile pari a circa il 30% del volume libero del corpo prismatico (dopo riempimento con l’elemento di combustibile), costituente un volume di riserva (2) per le micro particelle di vetro. Questo volume, riempito con particelle di vetro, à ̈ utilizzato per compensare la riduzione di volume durante le fasi di rammollimento e solidificazione. â € ¢ an upper circular section Φi = 260 mm, h = 500 mm, with flange and cover, with a useful volume equal to approximately 30% of the free volume of the prismatic body (after filling with the fuel element ), constituting a reserve volume (2) for the glass micro particles. This volume, filled with glass particles, is used to compensate for the reduction in volume during the softening and solidification phases.
Il corpo dell’ intero canister à ̈ completamente saldato e condizionato, progettato per sopportare temperature massime di esercizio di circa 700°C. The body of the entire canister is fully welded and conditioned, designed to withstand maximum operating temperatures of around 700 ° C.
Il canister, sempre sotto battente d’acqua, viene chiuso con coperchio (4) utilizzando l’elemento di presa (5), le spine di centraggio (6) e i bulloni di serraggio (7); il coperchio à ̈ munito di idonea guarnizione (8), resistente alle temperature di esercizio e fissata allo stesso coperchio mediante un anello di fissaggio. The canister, always under the water head, is closed with the lid (4) using the gripping element (5), the centering pins (6) and the tightening bolts (7); the cover is equipped with a suitable gasket (8), resistant to operating temperatures and fixed to the cover itself by means of a fixing ring.
Il canister con inserito l’elemento di combustibile danneggiato (3) (tipo BWR in questo esempio), à ̈ trasferito, tramite l’organo di presa (5), all’unità di decontaminazione, in cui si effettua la decontaminazione delle pareti esterne. The canister with the damaged fuel element inserted (3) (type BWR in this example), is transferred, through the gripping element (5), to the decontamination unit, where the decontamination is carried out of the external walls.
Dopo decontaminazione, il canister à ̈ trasferito nell’unità di condizionamento e vetrificazione, posta in un’area attrezzata della stessa piscina di deposito. After decontamination, the canister is transferred to the conditioning and vitrification unit, located in an equipped area of the same storage pool.
Analoghi contenitori possono essere previsti per altre tipologie di combustibili nucleari. Similar containers can be provided for other types of nuclear fuels.
Fase 2°: Condizionamento preliminare del canister Phase 2: Preliminary conditioning of the canister
Per condizionamento preliminare del canister si intendono le operazioni di svuotamento dell’acqua, asciugatura interna del canister e suo caricamento con particelle di vetro. By preliminary conditioning of the canister we mean the operations of emptying the water, drying the inside of the canister and filling it with glass particles.
Il recipiente di contenimento, sempre sotto battente d’acqua, à ̈ introdotto nella suddetta unità e quindi collegato tramite “quick connector†(8) e (9) - muniti di sistema di guida per inserzione (10) -ai sistemi di pressurizzazione e di svuotamento dell’acqua presente (non rappresentati), utilizzando per lo svuotamento la tubazione da 1†(11). Nell’ipotesi di danneggiamento della guaina del combustibile, l’acqua evacuata dal canister risulterà fortemente contaminata, e pertanto sarà inviata al trattamento liquidi radioattivi. The containment vessel, always under the water head, is introduced into the aforementioned unit and then connected via â € œquick connectorâ € (8) and (9) - equipped with a guide system for insertion (10) - to the pressurization and emptying of the water present (not shown), using the 1â € pipe (11) for emptying. In the event of damage to the fuel sheath, the water evacuated by the canister will be heavily contaminated, and therefore will be sent for radioactive liquid treatment.
Si procederà , quindi, alla successiva asciugatura interna del canister, utilizzando una corrente di azoto attraverso la tubazione di svuotamento (11) e il “quick connector†(9). Gli off-gas sono inviati al sistema di trattamento effluenti radioattivi, tramite tubazione (8). I collegamenti del canister al sistema di svuotamento/trattamento e per l’alimentazione dell’azoto e aspirazione degli off gas avvengono mediante connettori rapidi (“quick connector†) e tubazioni flessibili. II canister viene quindi collegato ad un serbatoio esterno alla piscina e riempito con particelle di vetro, di diametro di 100-300 pm, attraverso una tubazione dedicata e un “quick connector†(12). Le ridotte dimensioni medie (100-300 pm) delle particelle sono particolarmente importanti dovendo le stesse riempire completamente il volume libero del canister, passando attraverso le griglie dell’elemento di combustibile. The subsequent internal drying of the canister will then be carried out, using a current of nitrogen through the emptying pipe (11) and the â € œquick connectorâ € (9). The off-gases are sent to the radioactive effluent treatment system via pipeline (8). The connections of the canister to the emptying / treatment system and for the nitrogen supply and suction of the off gases are made by means of quick connectors (â € œquick connectorâ €) and flexible pipes. The canister is then connected to a tank outside the pool and filled with glass particles, with a diameter of 100-300 pm, through a dedicated pipe and a â € œquick connectorâ € (12). The small average size (100-300 pm) of the particles is particularly important as they have to completely fill the free volume of the canister, passing through the grids of the fuel element.
11 vetro utilizzato nella presente invenzione, a titolo esemplificativo, Ã ̈ la matrice vetrosa tipo SOGINGLASS F, sviluppata specificamente per la seguente invenzione e le cui caratteristiche sono state riportate al punto 2). The glass used in the present invention, by way of example, is the glass matrix of the SOGINGLASS F type, developed specifically for the following invention and whose characteristics have been reported in point 2).
Come detto, il volume superiore del canister (2), pari a circa il 30% del volume libero dello stesso, Ã ̈ utilizzato per compensare la riduzione di volume delle particelle di vetro a seguito del loro rammollimento. As mentioned, the upper volume of the canister (2), equal to about 30% of its free volume, is used to compensate for the volume reduction of the glass particles following their softening.
Nell’operazione di riempimento il canister rimane collegato al sistema di trattamento degli off-gas tramite “quick connector†. Opportuni sistemi vibranti garantiranno il completo riempimento del volume libero con le particelle di vetro. During the filling operation, the canister remains connected to the off-gas treatment system by means of a â € œquick connectorâ €. Suitable vibrating systems will ensure the complete filling of the free volume with the glass particles.
Al termine del riempimento, rivelato tramite misura del livello del vetro, il canister viene scollegato, rimanendo attivo solo il filtro ceramico che agisce da valvola di sfiato. At the end of the filling, detected by measuring the level of the glass, the canister is disconnected, remaining active only the ceramic filter which acts as a vent valve.
Da tener presente che, nella fase successiva di riscaldamento, l’intero canister sarà portato a ca. 600-700°C, e ciò obbliga ad utilizzare solo guarnizioni e connettori resistenti a queste temperature. It should be borne in mind that, in the subsequent heating phase, the entire canister will be brought to approx. 600-700 ° C, and this obliges to use only gaskets and connectors resistant to these temperatures.
Tutte le operazioni di condizionamento del canister sono effettuate sotto battente d’acqua, in condizioni di sicurezza radiologica per il personale operativo, operante dal ponte di manovra superiore della piscina di deposito. All the canister conditioning operations are carried out under the water head, in radiological safety conditions for the operating personnel, operating from the upper maneuvering deck of the storage pool.
Fase 3: Inglobamento dell' elemento di combustibile danneggiato in una matrice vetrosa. Phase 3: Incorporation of the damaged fuel element into a glassy matrix.
Il processo di rammollimento del materiale vetroso caricato attorno e all’intemo dell’elemento di combustibile danneggiato costituisce la terza fase del processo, ed ha luogo nella stessa unità di condizionamento e vetrificazione (Figure V e VI - Allegato 5), nella piscina di deposito, sotto battente d’acqua. The softening process of the vitreous material loaded around and inside the damaged fuel element constitutes the third phase of the process, and takes place in the same conditioning and vitrification unit (Figures V and VI - Annex 5), in the pool of deposit, under water head.
Questa apparecchiatura à ̈ costituita da un cilindro di acciaio inox AISI 316 (14), munito di coperchio (15), con guarnizioni per temperature (16), spine di centraggio (17) e bulloni di serraggio (18), termicamente isolato (19) e posto su un basamento (20) sul fondo della piscina di deposito. This equipment consists of an AISI 316 stainless steel cylinder (14), fitted with a cover (15), with temperature seals (16), centering pins (17) and tightening bolts (18), thermally insulated (19 ) and placed on a base (20) at the bottom of the storage pool.
del vetrificatore sono posizionati: of the vitrifier are positioned:
• guide per la corretta introduzione e per il posizionamento del canister (21); â € ¢ guides for the correct introduction and positioning of the canister (21);
• una serie di pannelli elettrici radianti (22), posti sulla superficie interna a diverse altezze; â € ¢ a series of radiant electric panels (22), placed on the internal surface at different heights;
• sensori di temperatura (23). â € ¢ temperature sensors (23).
Si procede quindi mediante tubazione di fondo allo svuotamento dell'acqua presente nell'intercapedine tra l’apparecchiatura e il canister, e all’ immissione di azoto (24), con ventilazione all’off-gas (25); non essendo stata in contatto con parti attive/contaminate, l’acqua drenata presenta la stessa radioattività della piscina di deposito. The water in the cavity between the equipment and the canister is then emptied by means of a bottom piping, and nitrogen is introduced (24), with off-gas ventilation (25); since it has not been in contact with active / contaminated parts, the drained water has the same radioactivity as the storage pool.
Il canister viene quindi riscaldato esternamente mediante i pannelli radianti (19), posti sulla parete interna dell’unità . The canister is then heated externally by means of the radiant panels (19), placed on the internal wall of the unit.
L’utilizzo di pannelli radianti (22) risulta necessario per compensare la diversa distribuzione assiale della potenza residuale di decadimento, ai fini dell’ ottimizzazione dell’intero processo. The use of radiant panels (22) is necessary to compensate for the different axial distribution of the residual decay power, in order to optimize the entire process.
L’innalzamento della temperatura sull'esterno del canister fino a circa 650°C à ̈ misurato attraverso i sensori termici sopracitati (23), e la temperatura à ̈ mantenuta costante per mezzo della modulazione della potenza fornita dai pannelli radianti. The temperature rise on the outside of the canister up to about 650 ° C is measured through the aforementioned thermal sensors (23), and the temperature is kept constant by modulating the power supplied by the radiant panels.
Tale modulazione tiene conto anche della potenza termica residuale dell'elemento di combustibile, che avrà come effetto un innalzamento di temperatura al centro dell'elemento; in condizioni di potenza residua di 3 kW (per un elemento BWR) corrispondente a ca. 6 mesi di raffreddamento di un combustibile di un rettore BWR funzionante alla potenza nominale di 1200 MWe, con un bum-up medio 30.000 MWd/tonU, la temperatura raggiungerà valori massimi nell’ intorno di 720°C. This modulation also takes into account the residual thermal power of the fuel element, which will have the effect of raising the temperature in the center of the element; in conditions of residual power of 3 kW (for a BWR element) corresponding to approx. 6 months of cooling of a fuel from a BWR reactor operating at a nominal power of 1200 MWe, with an average boom-up of 30,000 MWd / tonU, the temperature will reach maximum values around 720 ° C.
A questi livelli di temperatura si ha un’ulteriore riduzione della viscosità dell'intera massa vetrosa, che conseguentemente si compatterà , richiamando materiale vetroso dalla parte superiore del canister. At these temperature levels there is a further reduction in the viscosity of the entire glass mass, which consequently will compact, drawing glassy material from the upper part of the canister.
In questa ipotesi, quando la potenza richiesta ai pannelli radianti raggiunge valori pressoché costanti, con temperatura massima di parete del canister di circa 650°C, la massa vetrosa all’ interno del canister avrà raggiunto la condizione di fusione. Mantenendo queste condizioni per un adeguato periodo di tempo, si raggiungerà una condizione di fusione generalizzata delle micro particelle di vetro all’ interno dell’intero canister. In this hypothesis, when the power required from the radiant panels reaches almost constant values, with the maximum temperature of the canister wall of about 650 ° C, the glass mass inside the canister will have reached the melting condition. By maintaining these conditions for an adequate period of time, a generalized melting condition of the micro glass particles inside the entire canister will be achieved.
Una misura indiretta dell’ avvenuta fusione generalizzata può essere effettuata attraverso la misura del livello delle particelle di vetro nel corpo cilindrico superiore. An indirect measure of the generalized melting can be carried out by measuring the level of the glass particles in the upper cylindrical body.
Fase 4°: Raffreddamento del canister Phase 4: Cooling of the canister
Ha inizio ora la fase di raffreddamento controllato intero canister, prima mediante riduzione graduale dell'irraggiamento delle piastre radianti, quindi tramite immissione di azoto nell'intercapedine tra il canister e le pareti della stessa apparecchiatura, poi con azoto più acqua e infine con acqua, così da assicurare al vetro condizioni di integrità al termine del raffreddamento. Per evitare le fessurazioni che potrebbero derivare dall’incontro di materiale a diverso coefficiente di dilatazione, si aggiunge al vetro, come detto, una certa quantità di carica inorganica a bassissimo coefficiente di dilatazione, quale per esempio vetro di silice o LAS (vetroceramica di litio allumina silice), al fine di rendere il coefficiente di dilatazione del vetro simile a quello della Zircaloy delle guaine dell’elemento di combustibile. L’acciaio AISI 316 del recipiente esterno, avendo un coefficiente di dilatazione superiore a quello dei materiali contenuti al suo interno, indurrà nel vetro una benefica tensione di compressione. The controlled cooling phase of the entire canister now begins, first by gradually reducing the irradiation of the radiant plates, then by introducing nitrogen into the gap between the canister and the walls of the same equipment, then with nitrogen plus water and finally with water, so as to ensure the glass conditions of integrity at the end of cooling. To avoid the cracks that could derive from the meeting of material with different expansion coefficient, a certain amount of inorganic filler with very low expansion coefficient is added to the glass, such as for example silica glass or LAS (glass ceramic of lithium alumina silica), in order to make the expansion coefficient of the glass similar to that of the Zircaloy of the sheaths of the fuel element. The AISI 316 steel of the external container, having an expansion coefficient higher than that of the materials contained within it, will induce a beneficial compression tension in the glass.
Terminato il raffreddamento, la massa vetrosa costituisce un involucro protettivo integro e compatto intorno allo stesso elemento. L’unità à ̈ quindi aperta, e il canister rimosso e trasferito, dopo controlli di integrità , allo stoccaggio, in attesa del ritrattamento o del deposito a lungo termine. After cooling, the vitreous mass forms an integral and compact protective envelope around the same element. The unit is then open, and the canister removed and transferred, after integrity checks, to storage, pending reprocessing or long-term storage.
Il processo descritto permette la “ricostruzione†del contenimento primario, costituito nell'elemento di combustibile originario dalla guaina in Zircaloy delle barrette, e di aggiungere un’ulteriore barriera di contenimento rispetto all’impiego del solo canister in acciaio, impedendo il rilascio di radioattività nelle successive fasi di gestione del combustibile irraggiato, sia in condizioni di normale esercizio che in situazioni incidentali di perdita del contenimento secondario, ovvero di danneggiamento del canister. The process described allows the â € œreconstructionâ € of the primary containment, constituted in the original fuel element by the Zircaloy sheath of the bars, and to add an additional containment barrier compared to the use of the steel canister alone, preventing the release of radioactivity in the subsequent phases of management of the irradiated fuel, both in normal operating conditions and in accidental situations of loss of secondary containment, or damage to the canister.
Nelle Figure V e VI dell’ allegato 5, à ̈ schematicamente rappresentata l'unità di condizionamento e vetrificazione, con riferimento a un combustibile BWR; analoghe soluzioni possono essere previste per implementare il processo o per altre tipologie di combustibili nucleari, senza sostanziali modifiche al processo oggetto dell’ invenzione. In Figures V and VI of annex 5, the conditioning and vitrification unit is schematically represented, with reference to a BWR fuel; similar solutions can be envisaged to implement the process or for other types of nuclear fuels, without substantial modifications to the process object of the invention.
Come detto, l’unità di vetrificazione à ̈ costituita da un cilindro metallico, in acciaio inox AISI 316, munito di coperchio a tenuta (15) - avente diametro Φ = 380 mm e H = 5500 mm - isolato termicamente, chiuso in un carter di alluminio o acciaio. As mentioned, the vitrification unit consists of a metal cylinder, in AISI 316 stainless steel, equipped with a sealed lid (15) - with a diameter Φ = 380 mm and H = 5500 mm - thermally insulated, closed in an aluminum or steel casing.
L’unità à ̈ immersa nella piscina nel suo punto più profondo, ed à ̈ ancorata ad una piastra di supporto. The unit is immersed in the pool at its deepest point, and is anchored to a support plate.
L'unità à ̈ collegata sul fondo ad una tubazione di svuotamento (24), mediante pompa sommersa connessa all'impianto di trattamento effluenti liquidi e, in testa, ad una tubazione (25) di aspirazione e trattamento degli off gas. The unit is connected at the bottom to an emptying pipe (24), by means of a submersible pump connected to the liquid effluent treatment plant and, at the top, to a suction and off gas treatment pipe (25).
All'interno del corpo cilindrico sono saldate piastre con apertura a sezione quadrata (21), per il posizionamento “in fase†del canister dell'elemento di combustibile. Inside the cylindrical body are welded plates with a square section opening (21), for the positioning of the fuel element canister in phase.
Pannelli termici ad energia radiante (22), distribuiti assialmente (a titolo di esempio in numero di 8 nello schema dì Figura V) ad alimentazione elettrica sono posizionati a varie altezze del corpo dell’unità . Radiant energy thermal panels (22), axially distributed (by way of example in number of 8 in the diagram of Figure V) with electrical power supply, are positioned at various heights of the unit body.
Sensori (23) del tipo pirometri misurano in continuo la temperatura della parete esterna del canister e permettono il controllo del processo. Sensors (23) of the pyrometer type continuously measure the temperature of the external wall of the canister and allow the process to be controlled.
5) Profili di temperatura interno del canister per varie potenze di decadimento 5) Internal temperature profiles of the canister for various decay powers
Per l’analisi dei profili di temperature alPinterno del canister per varie potenze termiche di decadimento radioattivo à ̈ stato sviluppato su un modello di canister utilizzando un codice di calcolo qualificato agli elementi finiti - ANSYS 12.1 - in cui sono state introdotte le caratteristiche termofisiche del vetro e la geometria del sistema. For the analysis of the temperature profiles inside the canister for various thermal powers of radioactive decay, it was developed on a canister model using a qualified finite element calculation code - ANSYS 12.1 - in which the thermophysical characteristics of the glass and the geometry of the system.
La geometria utilizzata per i modelli di simulazione dei processi di riscaldamento e raffreddamento prevede: The geometry used for the simulation models of the heating and cooling processes includes:
• un volume di vetro omogeneo, interno all’elemento di combustibile, entro cui sono contenute le barrette di combustibile; â € ¢ a volume of homogeneous glass, inside the fuel element, within which the fuel rods are contained;
• le barrette di combustibile sono assunte completamente in U02 (ipotesi conservativa); â € ¢ the fuel bars are completely assumed in U02 (conservative hypothesis);
• il fodero dell’elemento di combustibile sia in Zircaloy; â € ¢ the fuel element sheath is in Zircaloy;
• un volume di vetro all’esterno del fodero dell’elemento di combustibile; â € ¢ a volume of glass on the outside of the fuel element sheath;
• un volume in acciaio relativo alla parte prismatica vetrificata del canister. â € ¢ a steel volume relating to the vitrified prismatic part of the canister.
Per una temperatura all’esterno del canister di 650°C, al centro dell’elemento, si avrà , come detto al punto 1.4, una temperatura massima di 720 °C, nell’ipotesi di potenza residuale dell’elemento di combustibile di 3 kW/assembly, corrispondente a 6 mesi di raffreddamento di un combustibile di un rettore BWR funzionante alla potenza nominale di 1200 MWe, con un bum-up medio 30.000 MWd/tonU For a temperature outside the canister of 650 ° C, in the center of the element, there will be, as mentioned in point 1.4, a maximum temperature of 720 ° C, in the hypothesis of residual power of the fuel of 3 kW / assembly, corresponding to 6 months of cooling of a fuel of a BWR rector operating at the nominal power of 1200 MWe, with an average boom-up of 30,000 MWd / tonU
In condizione di refrigerazione in acqua del canister, dopo l’ inglobamento nella matrice vetrosa e successivo raffreddamento controllato, il valore massimo di temperatura, all’interno dell’elemento di combustibile risulta di poco superiore a 310°C, ipotizzando la temperatura dell’acqua in piscina di 30°C. In condition of refrigeration in the canister in water, after incorporation into the glass matrix and subsequent controlled cooling, the maximum temperature value inside the fuel element is slightly higher than 310 ° C, assuming the temperature of the water in the pool of 30 ° C.
Allo stesso modo, nel caso di raffreddamento in aria, à ̈ stato considerato che il trasferimento di calore verso l’ambiente esterno sia dovuto sia al fenomeno dell’ irraggiamento che a quello della convezione. Similarly, in the case of cooling in air, it has been considered that the transfer of heat to the external environment is due both to the phenomenon of radiation and that of convection.
Conservativamente, ai fini della valutazione del contributo dovuto all’ irraggiamento, si à ̈ assunta lucida la superficie di acciaio dell’elemento vetrificato (emissività ridotta). Nonostante le limitate prestazioni dell’aria per l’asportazione del calore, il contributo dovuto all’ irraggiamento consentono di ottenere, in fase di raffreddamento in aria a lungo termine, una temperatura massima al centro dell’elemento di poco inferiore a 235°C. Conservatively, for the purposes of evaluating the contribution due to irradiation, the steel surface of the vitrified element was assumed to be polished (reduced emissivity). Despite the limited performance of the air for heat removal, the contribution due to irradiation makes it possible to obtain, during the long-term air cooling phase, a maximum temperature in the center of the element of just under 235 ° C.
6) Vantaggi del processo oggetto dell’invenzione 6) Advantages of the process object of the invention
La presente invenzione parte dalla ormai consolidata pratica di utilizzare un recipiente di contenimento in acciaio inox per la messa in sicurezza di combustibile nucleare irraggiato fessurato, principalmente a seguito di eventi corrosivi. The present invention starts from the well-established practice of using a stainless steel containment vessel for securing cracked irradiated nuclear fuel, mainly following corrosive events.
Tale contenitore o canister à ̈ stato opportunamente modificato per permettere l’inglobamento in matrice vetrosa SOGINGLASS F di un elemento di combustibile irraggiato gravemente danneggiato a seguito di eventi incidentali eccezionali, quali, ad esempio, quelli che abbiano comportato l’esposizione diretta del materiale radioattivo (le pastiglie o pellets irraggiate di U02, Pu02e ossidi di prodotti di fissione) all’acqua di raffreddamento. Detta matrice vetrosa si forma a temperature massime neH’intomo dei 700°C, al fine di preservare le caratteristiche del canister esterno in acciaio e delle guaine in Zircaloy dell’elemento di combustibile. This container or canister has been suitably modified to allow the incorporation in the SOGINGLASS F vitreous matrix of an irradiated fuel element seriously damaged as a result of exceptional accidents, such as, for example, those that involved direct exposure of the radioactive material (the irradiated tablets or pellets of U02, Pu02 and oxides of fission products) to the cooling water. Said vitreous matrix is formed at maximum temperatures around 700 ° C, in order to preserve the characteristics of the external steel canister and the Zircaloy sheaths of the fuel element.
Con questo processo, estremamente economico, semplice e sicuro da un punto di vista operativo, “si ricostruisce†un’efficace barriera di contenimento, mediante l’ inglobamento dell’intero elemento di combustibile danneggiato (e dell’eventuale materiale esposto) in una matrice vetrosa che va a costituire una barriera contro la dispersione di materiale radioattivo, sia durante le normali condizioni operative, che a seguito di ulteriori eventi incidentali. With this process, extremely economical, simple and safe from an operational point of view, an effective containment barrier is `` rebuilt '' by incorporating the entire damaged fuel element (and any material exposed) in a glassy matrix which constitutes a barrier against the dispersion of radioactive material, both during normal operating conditions and following further accidents.
Si aggiunge così alle pareti del canister - suscettibili per es. di fessurazioni causate da fenomeni corrosivi o perdita di tenuta un’ulteriore barriera vetrosa impermeabile, con conseguente incremento del livello di sicurezza. It thus adds to the walls of the canister - susceptible eg. of cracks caused by corrosive phenomena or loss of seal an additional waterproof glass barrier, with a consequent increase in the level of safety.
Inoltre, oltre a quanto sopra indicato, i vantaggi del processo oggetto della presente invenzione sono: Furthermore, in addition to the above, the advantages of the process object of the present invention are:
- sua reversibilità , cioà ̈ possibilità di separazione dell’elemento di combustibile dalla matrice inglobante, per esempio mediante riscaldamento a temperature superiori a quella di rammollimento; - its reversibility, that is, the possibility of separating the fuel element from the encapsulating matrix, for example by heating to temperatures above the softening point;
- sicurezza radiologica durante le operazioni di taglio, in caso di ritrattamento; - radiological safety during cutting operations, in case of reprocessing;
- contenuto aumento di rifiuti liquidi e solidi, in caso di ritrattamento del combustibile danneggiato. - limited increase of liquid and solid waste, in case of reprocessing of damaged fuel.
Una ulteriore applicazione della presente invenzione riguarda l’opzione di gestione del combustibile irraggiato, indicata come “once-through cycle †. A further application of the present invention relates to the option of managing the irradiated fuel, indicated as â € œonce-through cycleâ €.
Questa opzione prevede il condizionamento del combustibile irraggiato in uno speciale recipiente (previo suo eventuale addensamento), stoccaggio a secco a lungo termine in cask o in struttura ingegneristica, seguito dal deposito definitivo in una formazione geologica profonda. This option provides for the conditioning of the irradiated fuel in a special container (after its eventual thickening), long-term dry storage in cask or in an engineering structure, followed by final storage in a deep geological formation.
E’ appunto nel “condizionamento†del combustibile che questo processo può trovare una sua ottimale applicazione, introducendo una barriera aggiuntiva - il vetro - tra la radioattività delle barrette presenti all’ interno dell’elemento di combustibile e l’ambiente. It is precisely in the â € œconditioningâ € of the fuel that this process can find its optimal application, introducing an additional barrier - the glass - between the radioactivity of the bars present inside the fuel element and the environment. .
Inoltre, avendo il materiale vetroso un coefficiente di conducibilità termica maggiore rispetto ai gas, quali l’aria o l’elio (per l’aria stagnante à ̈ ca. 0,027 contro ca. 0,6 W/mK per il vetro), si ha un miglioramento dello smaltimento della potenza residuale di decadimento e, in caso di perdita di tenuta del canister esterno, il vetro mantiene anche protetto l’elemento di combustibile rispetto ai fenomeni ossidativi. Furthermore, since the glassy material has a higher thermal conductivity coefficient than gases, such as air or helium (for stagnant air it is approx.0.027 against approx.0.6 W / mK for glass ), there is an improvement in the disposal of the residual decay power and, in case of leakage of the external canister, the glass also keeps the fuel element protected against oxidative phenomena.
7) Utilizzazione della speciale matrice vetrosa SOGINGLASS F per il condizionamento di particolari rifiuti radioattivi a bassa e media attività e di rifiuti non radioattivi altamente tossici e nocivi. 7) Use of the special glass matrix SOGINGLASS F for the conditioning of particular low and medium activity radioactive waste and highly toxic and noxious non-radioactive waste.
La matrice vetrosa SOGINGLASS F sviluppata per l’utilizzo nel processo qui descritto quale barriera di contenimento per elementi di combustibile danneggiati, può essere ottimizzata per l’impiego, ai fini dell’ inglobamento di rifiuti radioattivi di bassa e media attività , laddove i consolidati processi di cementazione, normalmente utilizzati per questa tipologia di rifiuti, si dimostrino non o difficilmente applicabili - come nel caso di rifiuti radioattivi contenenti alte concentrazioni di composti organici -, oppure non convenienti. The SOGINGLASS F vitreous matrix developed for use in the process described here as a containment barrier for damaged fuel elements, can be optimized for use, for the purpose of incorporating low and medium activity radioactive waste, where the consolidated cementation processes, normally used for this type of waste, prove to be not or difficult to apply - as in the case of radioactive waste containing high concentrations of organic compounds - or not convenient.
In passato, sono state fatte varie proposte per affrontare il condizionamento di materiali radioattivi con matrici vetrose: diverse matrici e diversi processi sono stati proposti, con l’obiettivo di creare una barriera efficace alla fuoriuscita di materiale radioattivo verso l’ambiente. In the past, various proposals have been made to address the conditioning of radioactive materials with glassy matrices: different matrices and different processes have been proposed, with the aim of creating an effective barrier to the release of radioactive material towards the environment.
In tutti i brevetti relativi a questo condizionamento, sia per le composizioni vetrose proposte, che per la modalità operativa scelta -vale a dire miscelazione intima con i rifiuti radioattivi- la temperatura di processo à ̈ elevata, tale da comportare la necessità di complicate e costose soluzioni impiantistiche. In all the patents relating to this conditioning, both for the glass compositions proposed and for the operating mode chosen - that is to say intimate mixing with radioactive waste - the process temperature is high, such as to involve the need for complicated and expensive plant solutions.
In questo caso, l’impiego di un vetro a bassa temperatura di rammollimento quale il SOGINGLASS F per l’ inglobamento del rifiuto (dopo un eventuale trattamento di concentrazione e calcinazione a secco), permette di ovviare all’incompatibilità con la matrice cementizia ed al contempo di evitare i problemi di off-gas e di utilizzo di complesse apparecchiature di vetrificazione, che si presentano nell’impiego delle matrici vetrose solitamente utilizzate nel trattamento di rifiuti radioattivi. In this case, the use of a glass with a low softening temperature such as SOGINGLASS F for the incorporation of the waste (after a possible treatment of concentration and dry calcination), allows to obviate the incompatibility with the matrix cementitious and at the same time to avoid the off-gas problems and the use of complex vitrification equipment, which arise in the use of glass matrices usually used in the treatment of radioactive waste.
Analoga applicazione potrà interessare rifiuti non radioattivi altamente tossici e nocivi, per i quali sia necessario per ragioni di sicurezza, l’isolamento in una matrice durabile ed inerte rispetto agli agenti chimico-biologici ambientali, come appunto la matrice vetrosa SOGINGLASS F. A similar application may involve highly toxic and noxious non-radioactive waste, for which it is necessary for safety reasons, isolation in a durable and inert matrix with respect to chemical-biological environmental agents, such as the vitreous matrix SOGINGLASS F.
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