Publication: Estabilidad de matrices avanzadas de combustible "Th-pu MOX" en condiciones de almacén
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Publication Date
2015-11-06
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
El desarrollo del ciclo de combustible del Th comienza con la implementación de combustibles Th/Pu MOX, combustible mezcla de óxidos de Th y Pu, en reactores térmicos. La finalidad es conseguir experiencia relacionada con las tecnologías del Th (fabricación, irradiación y reprocesado del combustible irradiado), así como una etapa de transición hacia su empleo en reactores avanzados en el futuro. El objetivo general de esta tesis es identificar y evaluar la estabilidad fisicoquímica de matrices cerámicas como el CeO2 y ThO2, en condiciones de almacén a largo plazo, después de haber sido incineradas junto con el Pu y/o AM en un reactor térmico. El documento expone un análisis detallado de la estabilidad del CeO2 y ThO2 en su futura gestión como residuos radiactivos. Específicamente se ha procedido a: estudiar la reactividad superficial de ambas matrices mediante valoraciones potenciométricas, como dato de entrada necesario para la modelación de los resultados de disolución; evaluar la estabilidad química de dichas matrices cerámicas en condiciones de repositorio aportando datos cuantitativos en diferentes entornos acuosos; analizar el impacto de los carbonatos presentes en el medio acuoso en la lixiviación de ambos óxidos; determinar si existe o no congruencia en la disolución de Th/Pu MOX y Th/Pu MOX irradiado; modelar el comportamiento experimental frente a la lixiviación a corto plazo, a escala de laboratorio, y a largo plazo a través de la extrapolación de los resultados mediante el Modelo de Alteración de la Matriz (MAM) y bases de datos termodinámicos disponibles en la literatura. Para modelar el comportamiento del CeO2 y ThO2 en disolución, es necesaria la determinación experimental de las propiedades superficiales de dichos materiales como son el área superficial específica, distribución del tamaño de partícula, cristalinidad, densidad de puntos de coordinación superficiales, etc. Estas propiedades se cuantificaron antes de proceder a la determinación de la densidad de puntos de coordinación a través de valoraciones potenciométricas de los sólidos. La estimación de estos valores para el CeO2 y ThO2 pulverulento fueron 3-5 y de 2-5 puntos de coordinación¿nm-2 respectivamente. De idéntica forma se trató de caracterizar el CeO2 como pastilla sinterizada pero, la carga desarrollada por la superficie expuesta del material fue insuficiente como para determinar su valor de densidad de puntos de coordinación. Para determinar la estabilidad del ThO2 y CeO2 se han llevado a cabo varios experimentos de disolución en sistemas estáticos y diferentes condiciones de pH, redox y composición del medio (agua ultrapura, agua granítica natural y una solución con alta concentración de carbonatos). Los materiales estudiados fueron CeO2 (polvo y pastilla), ThO2 (polvo) y pastillas de Th/Pu MOX (dopadas con un 3, 9 y 30% de Pu) obtenidas por el método sol-gel. Las pastillas de ThO2 dopadas con un 3% de Pu fueron irradiadas hasta alcanzar un grado de quemado de 38.8 MWd¿kg-1 HM. Los estudios de estabilidad de la matriz de ThO2 en entornos acuosos han señalado que el ThO2 sería una matriz apropiada como material para contener los residuos radiactivos en condiciones de AGP, debido fundamentalmente a su elevada estabilidad química. Además, atendiendo a su solubilidad extremadamente baja, es de esperar que en el caso de que se produzca la liberación de radionucleídos, esta tenga lugar de forma muy lenta. El MAM ha sido probado y validado en la matriz de toria, en base a nuevas constantes cinéticas y extrapolado a los tiempos y condiciones de un AGP. Los resultados de disolución empíricos han sido comparados con los cálculos del MAM, con un ajuste de los datos teóricos similar a los experimentales. El análisis comparativo entre la extrapolación de la tasa de alteración del ThO2 con los cálculos publicados para el combustible gastado tipo UO2 indican una menor velocidad de disolución para los tiempos indicados en el caso de la matriz de Th.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, leída el 14-07-2015