Published June 24, 2016 | Version v1
Miscellaneous Restricted

Development of calcium aluminate based systems for sludge cementation from radwaste decontamination

Description

Nuclear industry generated waste including radioactive wastes, which have different forms and origins. The wastes produced by reprocessing of nuclear fuel are characterized by important water content, by high pH and temperature sensitivity. The cementation in ettringite systems might be a promising solution to solidify radioactive wastes. Mixtures of Calcium Aluminate Cement (CAC) and calcium sulfate are planned to be used, instead of Ordinary Portland Cement (OPC), to form a significant amount of ettringite able to catch water molecules when forming. Moreover, due to the low pH of CAC-based matrices, the latter have a good compatibility with the compounds used to stabilize active elements. Initially, the stability of the sorbent of cesium used in this study was tested in different pH environments (2 to 14) and temperature. Chemical analysis and different microstructural characterizations like X-ray diffraction, FTIR and SEM-EDS have allowed to set stability limits of ettringite systems. Then microstructural study on binary systems composed by mixture of CAC/calcium sulfate (hemihydrate and/or anhydrite) was realized to characterize ettringite stability during the time of hydration. Low pH properties were checked by chemical pore solutions analysis. However, the heat generated by hydration and the possible formation of expansive systems require an increase of e/s ratio and additional components like Ground Granulated Furnace Slag (GGBS). These two parameters were studied subsequently. Microstructural study of GGBS reactivity and the modification of ettringite assemblage were showed that GGBS act as filler at early time of hydration. To promote the GGBS reactivity at long term of hydration by alkaline and sulfate activation, different nature of calcium sulfate was used. Then the microstructural characteristic of this ternary system in presence of different e/s ratio was studied. Finally, different information on the effect of formulation parameters obtained led to the development of tests on formulations containing an inert simulated waste and enriched in chlorides. Systematic tests of fluidity, mechanical strength and for some expansion and heat generation should identify a series of mixtures adapted to test prototype to industrial scale for cementing wastes. (author)

Abstract (French)

L'industrie nucleaire est une industrie generatrice de dechets, dont certains sont radioactifs. Ces dechets radioactifs ont des formes et des origines diverses, allant de la paire de gant de manutention faiblement contamines, a la suspension aqueuse de produits de fissions hautement radioactifs. Dans ce travail, un type de dechet bien particulier a ete etudiee; des boues issues de la decontamination d'effluents liquides radioactifs, possedant entre autres les trois particularites suivantes; - Etre moyennement radioactif, selon les criteres de l'ANDRA. - Etre compose d'une forte teneur en eau de constitution (ne pouvant etre retiree par simple evaporation); - Etre compose d'un sorbant (PPFeNi) dont la stabilite chimique n'est pas assuree pour un pH superieur a 11. Ces particularites font qu'un enrobage dans une matrice minerale forte consommatrice d'eau, et bas-pH (pH < 11) est envisageable. Le choix c'est alors porte sur le developpement d'une matrice ettringitique realisee a partir d'un melange de Ciment d'Aluminate de Calcium (CAC) et de sulfate de calcium. Dans un premier temps, la stabilite du sorbant du cesium utilise dans cette etude a ete testee dans differents environnements de pH (2 a 14) et de temperature. Pour cela des analyses chimiques de solution ainsi que des caracterisations du compose par diffraction de rayons X, FTIR et microscopie electronique a balayage-EDS ont permis de fixer les bornes de stabilite que la formulation ettringitique doit avoir. Puis une etude microstructurale (nature et morphologie des produits) de melanges ettringitiques binaires CAC/sulfate de calcium type hemihydrate et/ou anhydrite a ete effectuee afin de caracteriser la stabilite de l'ettringite, hydrate fort consommateur d'eau. Les proprietes bas-pH ont ete verifiees notamment par analyse chimique de solutions porales. Certaines limites de ces systemes concernant le degagement de chaleur et la possible formation de systemes expansifs ont ete mises en evidence. L'effet de l'augmentation du rapport eau/liant, responsable d'un effet de dilution et permettant de reduire les deux effets precedents, a ete egalement regarde pour ces systemes binaires. Afin de reduire la chaleur degagee a court terme tout en permettant le developpement de l'hydratation a long terme de systemes ettringitiques, ces systemes binaires ont ete substitues par des additions minerales a hydraulicite latente type laitier de haut fourneau. Une etude microstructurale de la reactivite du laitier et de la modification de l'assemblage ettringitique a montre une reactivite moderee de ce dernier a jeune age conformement aux attentes. Pour favoriser sa reactivite a long terme par activation alcaline/sulfatique differentes proportions de sulfate de calcium a dissolution plus lente ont ete testes. Les caracteristiques microstructurales de ces systemes ternaires en presence de differentes teneurs en eau intrinsequement liee a la nature de type boue du dechet a ete etudiee. Enfin, les differentes informations sur l'effet des parametres de formulation obtenues ont debouche sur la mise en place de tests sur des formulations contenant un dechet simule inerte et enrichi en chlorures. Des essais systematiques de fluidite, de resistances mecaniques et pour certains d'entre eux d'expansion et de degagement de chaleur doivent permettre d'identifier une serie de melanges adaptes au test a l'echelle de prototype industriel pour la cimentation de boues. (auteur)

Files

Restricted

The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Developpement d'une matrice a base d'aluminate de calcium pour la cimentation de boues issues de la decontamination d'effluents actifs

Publishing Information

Imprint Pagination
344 p.
Report number
FRNC-TH--13276

Optional Information

Notes
170 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses