Influence of metallic fission products and self irradiation on the rate of spent nuclear fuel-matrix dissolution

Sammanfattning: Denna licentiatavhandling behandlar effekten av två inneboende egenskaper (fissions produkter och egenbestrålning) hos utbränt kärnbränsle på hastigheten för strålningsinducerad upplösning av bränslematris (UO2). I ett framtida djupförvar kommer det utbrända kärnbränslet att deponeras 500 meter ner i berggrunden i en reducerande miljö. Under dessa förhållanden är UO2-matrisen själv en av de skyddande barriärerna mot frigörande av radionuklider, på grund av dess låga löslighet. När bränslet kommer i kontakt med vatten kommer U(IV) att oxideras till U(VI) av radiolysprodukter från vattnet och lösligheten för bränslematrisen kommer därmed att öka betydligt.De flesta tidigare studier har utförts på obestrålad UO2 som skiljer sig signifikant från utbränt kärnbränsle. I utbränt kärnbränsle är de flesta fissionsprodukterna och neutronaktivieringsprodukterna radioaktiva och bränslet kommer därför bli bestrålat av sig självt. Effekten av joniserande strålning på reaktiviteten för UO2(s) har undersökts här. UO2 (pulver och fragment av en kuts) bestrålades i en 60Co ?-källa eller framför en elektronaccelerator varpå reaktiviteten för UO2 studerades genom oxidation av UO2 med MnO4 -. Det visade sig att reaktiviteten för UO2 ökar när det blir bestrålat för första gången (<20 kGy). Effekten ökar med ökande dos tills den når ett maxvärde ~1.3 gånger reaktiviteten för obestrålad UO2 vid torrbestrålning. Vid våtbestrålning ökar en dos på 140 kGy reaktiviteten 2.5 gånger. Effekten verkar vara permanent.Tidigare studier har visat att H2O2 är den viktigaste oxidanten för upplösning av utbränt kärnbränsle under djupförvarsförhållanden. I vätgasatmosfär, som förväntas i ett djupförvar, har det visat sig att upplösningshastigheten är långsammare. Det har delvis förklarats med reaktionen mellan H2O2 och H2, som är väldigt långsam utan katalysator. Den katalytiska effekten av UO2 på den reaktionen har undersökts och det visades att den inte katalyseras av UO2.En annan möjlig katalysator för reaktionen är ?-partiklar (ädelmetallpartiklar bestående av Mo, Ru, Tc, Pd och Rh) som bildats av fissionsprodukterna. Pd är en välkänd katalysator för reduktion med H2. Den eventuella katalytiska effekten av Pd har undersökts här. Även en eventuell katalytisk effekt av Pd på reduktionen av U(VI) med H2 undersöktes, både i vattenfas och i UO2-kutsar innehållande olika mängder Pd (som en modell för ?-partiklar).Vi fann att Pd har en katalytisk effekt på reaktionen mellan H2O2 och H2 och andra ordningens hastighetskonstant är bestämd till (2.1±0.1)x10-5 m s-1. Pd har också en katalytisk effekt på reduktionen av U(VI) med H2 både i vattenlösning, hastighetskonstant (1.5±0.1)x10-5 m s-1, och i den fasta fasen. Hastighetskonstanten för processen i fast fas är 4x10-7 m s-1 och 7x10-6 m s-1 för kutsar med 1 respektive 3 % Pd. Dessa värden är väldigt nära diffusionsgränsen för den här typen av system. Den katalytiska effekten i den fasta fasen visar att upplösningen för 100 år gammalt bränsle kan stoppas helt. Vid 40 bar H2 krävs 10-20 ppm ädelmetallpartiklar och med 1 % ädelmetallpartiklar räcker det med 0.1 bar H2 för att stoppa upplösningen.