The interaction of dissolved hydrogen with α-radiolytic oxidants during nuclear fuel dissolution
Doktorsavhandling, 2017

Used nuclear fuel contains radiotoxic elements that will need to be kept isolated from the biosphere over a time period of 100 000 years. The KBS-3 geological storage concept aims to prevent the migration of radionuclides into the environment by different engineered barriers. As a complement to these engineered barriers, the low solubility of UO2 in water will limit the release of radiotoxic elements from the fuel in the event of groundwater intrusion. However, the strong radiation field from the used fuel will result in radiolysis of any intruding water, creating H2O2 and other oxidative species. Although radiolytic oxidants have the ability to alter UO2 dissolution behaviour, hydrogen gas formed in the anoxic corrosion of iron in the canisters has been shown to protect the fuel from radiation-induced dissolution. In this research, the interaction of dissolved hydrogen with oxidants produced in the radiolysis of water subjected to α-radiation was studied. The studies were performed experimentally by means of homogeneous α-radiolysis, as well as leaching of SIMFUEL and a high activity MOX fuel. The possible inhibition of the hydrogen effect by the presence of bromide in groundwater was also investigated. Preparations for the studies included oxidation and neutralization of a 238Pu solution, as well as method development for low concentration oxygen measurements by gas mass spectrometry. The results suggest that the presence of dissolved bromide does not affect the production of α-radiolytic oxidants. It was further shown that the consumption of α-radiolytic oxidants by hydrogen does not occur in the bulk solution, which confirms the role of fuel surfaces in the activation of hydrogen. In the leaching of SIMFUEL in water with added H2O2, only 0.02% of the H2O2 consumption could be related to fuel dissolution by oxidation of uranium, while the main part was shown to decompose on the fuel surface. Formation of semi-heavy water (HDO) during leaching in a deuterium atmosphere indicated that a reaction may occur between dissolved hydrogen and hydroxyl radicals from the hydrogen peroxide decomposition. It was also shown that the protective effect of hydrogen on the radiation-induced dissolution of the fuel is maintained even at α-activities comparable to those of fresh spent fuel.

α-radiolysis

MOX

hydrogen effect

bromide

gas mass spectrometry

SIMFUEL

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Dr. Christophe Jégou, CEA, Frankrike

Författare

Lovisa Bauhn

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Energi och material, Kärnkemi

Dark oxidation of water in soils

Tellus, Series B: Chemical and Physical Meteorology,; Vol. 65(2013)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The effect of bromide on oxygen yields in homogeneous α-radiolysis

MRS Advances,; Vol. 2(2017)p. 711-716

Paper i proceeding

Bauhn, L., Hansson, N., Ekberg, C., Fors, P., Spahiu, K. The fate of hydroxyl radicals produced during H2O2 decomposition on a SIMFUEL surface in the presence of dissolved hydrogen

Bauhn, L., Hansson, N., Ekberg, C., Fors, P., Delville, R., Schuurmans, P., Verwerft, M., Spahiu, K. The interaction of molecular hydrogen with α-radiolytic oxidants on a (U,Pu)O2 surface

Kärnkraften bidrar i nuläget med ungefär en tiondel av världens elkonsumtion. Vilken roll denna energikälla kommer att ha i framtiden är dock ett mycket omdiskuterat ämne. I vissa länder planerar man att avveckla kärnkraften helt, medan man i andra länder satsar på utbyggnad eller på att utveckla en ny generation reaktorsystem. Oavsett hur kärnkraftens framtid ser ut så kvarstår det faktum att bränslet som har använts vid drift av reaktorerna kommer att behöva tas om hand på ett säkert sätt.

Den vanligaste typen av kärnbränsle för kommersiell elproduktion är urandioxid. Då urankärnor klyvs i reaktorn skapas en mängd olika typer av lättare ämnen, så kallade fissionsprodukter. Även tyngre ämnen kan bildas i bränslet genom infångning av neutroner, vilket resulterar i en uppbyggnad av olika aktinider, till exempel plutonium. Både fissionsprodukterna och de tyngre aktiniderna bidrar till den höga radioaktiviteten i det använda kärnbränslet. Med halveringstider för de olika beståndsdelarna som utgångspunkt kan man bedöma hur lång tid det skulle ta innan radioaktiviteten avklingat så mycket att det använda bränslets radiotoxicitet är så låg att det är jämförbart med naturligt uran. Denna tid är beräknad till ungefär 100 000 år, och motsvarar den tidsrymd under vilken bränslet bör hållas isolerat från människor och miljö.

I Sverige planerar man att placera det använda kärnbränslet i ett djupförvar konstruerat enligt en metod som kallas KBS-3 och som är framtagen av Svensk Kärnbränslehantering AB. Enligt denna metod kommer bränslet att förvaras i kopparkapslar 500 meter ner i urberget där det ska hållas isolerat och utan kontakt med grundvattnet. Som en del av säkerhetsanalysen för slutförvaret undersöker man dock även risken för spridning av radiotoxiska ämnen vid ett eventuellt intrång av vatten i kapslarna. Denna risk är beroende av bränslets löslighet i grundvattnet.

Även efter bestrålning i reaktorn består bränslet till största del av urandioxid, vars löslighet i vatten är närmast obefintlig. Den höga aktiviteten hos det använda bränslet kan dock bidra till att öka lösligheten via oxidanter som bildas då strålningen interagerar med vattenmolekyler (så kallad radiolys). Detta fenomen kallas för strålnings-inducerad oxidativ upplösning. Vid intrång av vatten i slutförvaret skulle även betydande mängder vätgas bildas genom syrefri korrosion av de insatser av segjärn som finns i kapslarna. Man har genom experimentella studier visat att denna vätgas skulle motverka den oxidativa upplösningen.

I den här avhandlingen har interaktionen mellan vätgas och radiolysprodukter studerats, med avsikt att få en bättre förståelse för vätgasens skyddande effekt. Studierna har fokuserats på radiolysprodukter från alfastrålning och utförts genom lakning av olika bränslematerial under vätgastryck, samt genom så kallad homogen-radiolys, där vätgaseffekten studerats utan närvaro av en bränsleyta. Resultaten visar att vätgasen klarar att skydda även mycket högaktiva bränslen från upplösning, samt bekräftar betydelsen av själva bränsleytan för aktivering av vätgasen. Vidare visas att väteperoxid, som är den främsta oxidanten som bildas vid alfa-radiolys, till största del sönderfaller på ytan utan att orsaka upplösning av bränslet.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Energi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Ämneskategorier

Kemiteknik

Kemi

ISBN

978-91-7597-580-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4261

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Dr. Christophe Jégou, CEA, Frankrike