Published May 21, 2019 | Version v1
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Study of a pyrolysis process for epoxy resin elimination of embedded nuclear fuels

Description

This study aims to develop a thermal treatment for the elimination of epoxy resin from spent nuclear fuel by pyrolysis. In order to suppress gas production from polymer's degradation by radiolysis in confined storage conditions, these fuels, which have been previously embedded in epoxy resin for the purpose of metallographic preparation, must be separated from the resin. To ensure the safety and universality of the process for removing the organic material, a pyrolysis process in an inert atmosphere of argon is selected. The main objective of the treatment is to minimize the final hydrogen content in the residual char while maintaining the integrity of the fuel in order to avoid the release of fission products and the expansion of the material, which occurs in oxidizing atmosphere. In this work, a general methodology is proposed in order to understand the physico-chemical phenomena involved during the pyrolysis of the resin and to acquire relevant data for the development of the process. Experimental investigations were mainly carried out in a pilot-scale furnace which was coupled with a series of filtration devices to recover the pyrolysis products for characterization. Most of pyrolysis gases have been measured on line with micro gas chromatography columns. For some pilot experiments, a FTIR analyzer allowed to characterize heavier and nitrated compounds in the gas. The resin, the tars and the char were characterized by elemental analysis (CHON). All the measurements of the pyrolysis products' elemental compositions and weights have been adjusted by the method of data reconciliation. The results make it possible to establish a precise mass balance with the definition of model molecules (CxHyOzNw) for tars and char and the stoichiometric coefficients for the overall pyrolysis reaction. At 450 C, the mass distribution of pyrolysis products is: 78.74% tars, 5.82% water, 12.84% char and 2.60% permanent gases. The parametric studies carried out with regard to the char ratio and its hydrogen content have shown that the predominant parameters are, in order of importance: the temperature, the plateau time and the heating rate. The influence of argon flow rate and resin mass is negligible. For a further investigation of the char, NMR spectroscopy was applied to identify its molecular structure changes with pyrolysis temperature. Furthermore, the characterization of tars by TD-GC/MS reveals four main compounds: dodecanol, tetradecanol, phenol and 4-isopropylphenol. Both these quantitative and qualitative information help to define the process conditions for the removal of epoxy resin by pyrolysis with respect to the final objective, i.e. minimizing the hydrogen content in the residual char while respecting the safety constraints. (author)

Abstract (French)

Cette etude s'inscrit dans le cadre de la mise au point d'un procede de traitement thermique d'echantillons de combustibles nucleaires irradies enrobes dans de la resine epoxy. Ces combustibles doivent etre separes de la resine avant entreposage afin d'eviter la formation de gaz par radiolyse. Pour garantir la surete et l'universalite du procede d'elimination de la resine epoxy, un traitement de pyrolyse sous argon est propose. L'enjeu majeur de ce traitement est d'atteindre des teneurs finales en hydrogene dans le residu les plus faibles possibles tout en conservant l'integrite du combustible afin d'eviter le relachement des produits de fission et le foisonnement du materiau. Une methodologie generale est proposee afin d'approfondir la comprehension des phenomenes physico-chimiques intervenant lors de pyrolyse de la resine epoxy et d'acquerir les donnees necessaires pour le developpement du procede. Cette methodologie repose sur differents outils et methodes experimentaux et numeriques. Au coeur du dispositif experimental se trouve un four pilote dans lequel sont realises les essais de pyrolyse. A ce four pilote est couplee une baie de filtration afin de recuperer les produits de pyrolyse et les analyser. Les gaz permanents sont analyses avec les colonnes de chromatographie en phase gaz. Pour quelques essais du four, un dispositif d'IRTF a ete couple afin d'ajouter une information sur les composes plus lourds et nitres des gaz de pyrolyse. La resine, les goudrons et les residus solides sont caracterises par analyse elementaire C, H, O, N. Les mesures des compositions CHON et des masses permettent d'etablir, apres reconciliation de donnees, un bilan matiere precis, de definir des molecules modeles pour les goudrons et le residu solide, sous la forme CxHyOzNw, et de determiner les coefficients stoechiometriques i de la reaction globale de pyrolyse. Les pourcentages massiques des produits obtenus a 450 C sont les suivants: 78,74% de goudrons, 5,82% d'eau, 12,84% de residu solide et 2,60% de gaz permanents. Les etudes parametriques realisees vis-a-vis du taux de residu et de sa teneur en hydrogene ont mis en evidence que les parametres predominants sont, par ordre d'importance: la temperature, le temps de palier et la vitesse de chauffe. L'influence du debit d'argon et de la masse de resine initiale est negligeable. Pour aller plus loin dans la caracterisation des produits, des analyses par spectroscopie RMN ont ete appliquees au residu solide pour identifier les evolutions de la structure moleculaire du polymere en fonction de la temperature. Les analyses des goudrons par la TD-GC/MS revelent quatre composes principaux: le dodecanol, le tetradecanol, le phenol et le 4-isopropylphenol. L'ensemble des resultats tant quantitatifs que qualitatifs constitue une aide a la definition des conditions d'elimination de la resine epoxy par pyrolyse afin d'atteindre les objectifs en termes de taux d'hydrogene dans le residu tout en respectant les contraintes de securite. (l'auteur)

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Original title (French)
Etude d'un procede d'elimination de resine epoxy par pyrolyse applicable au desenrobage de combustibles nucleaires

Publishing Information

Imprint Pagination
194 p.
Report number
FRCEA-TH--12136

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Notes
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