Feasibility study on vitrification of spent ion exchange resins from TRIGA reactor Malaysia

Abstract

Abstract

Feasibility studies on the vitrification of spent ion exchange resins combined with glass cullet powder have been conducted using a High Temperature Test Furnace. Bottle glass cullet powder was used as matrix material to convert the ash of the spent resins into a glass. Vitrification of spent ion exchange resins presents a reasonable disposal alternative, because of its inherent organic destruction capabilities, the volume reduction levels obtainable, and the durable product that it yields. In this study, the spent ion exchange resin from the PUSPATI TRIGA reactor of Nuclear Malaysia was combusted in a lab scale combustor and the resulting ash was vitrified together with glass cullet powder in a high temperature furnace to produce a stable spent resin ash embedded in glass. The factors affecting   this immobilized waste, such as thermal stability, radiological stability and leachability have all been investigated. However, the outcome of these tests, which include the radionuclide activity concentration in the slag, the optimum conditioning temperature - in relation with volume reduction during vitrification - and the volume mixing ratio of matrix material were reported. It was found that the radionuclides present in spent resins were ⁵⁴Mn, ⁶⁰Co and ¹⁵²Eu. The elementary chemical composition (carbon, hydrogen, nitrogen and sulphur) of spent resins was 27.6% C, 5.68% H, 2.04% N and 4.20% S, respectively. The maximum calorific value of spent resins was 1735 kJ/kg. The average activity concentrations of ⁵⁴Mn and ⁶⁰Co in ash at 200^oC were 9,411 ± 243 Bq/Kg and 12,637 ± 201 Bq/Kg. flue gases containing CO₂, CO, SO₂ and NO started to be emitted above 200^oC.  The optimum conditioning temperature was also the highest tested, i.e. 900^oC in 45 minutes, and the best mixing ratio ash to matrix material was also the highest, ie 1:9. Finally, the leaching analysis of slag at 900^oC in 45 minutes showed that the leaching activity of ⁶⁰Co was below 0.5 Bq/mL.

Abstrak

Kajian kebolehlaksanaan mengenai penghidratan resin pertukaran ion yang dibelanjakan digabungkan dengan serbuk cullet kaca telah dijalankan menggunakan Tungku Ujian Suhu Tinggi. Serbuk cullet kaca botol digunakan sebagai bahan matriks untuk menukarkan abu resin yang dibelanjakan ke dalam gelas. Vitrifikasi resin pertukaran ion yang dibelanjakan membentangkan alternatif pelupusan yang munasabah, kerana keupayaan pemusnahan organik yang wujud, tahap pengurangan jumlah boleh didapati, dan produk tahan lama yang dihasilkannya. Dalam kajian ini, resin pertukaran ion yang dibelanjakan dari reaktor PUSPATI TRIGA Nuklear Malaysia telah dibakar dalam pembakar skala makmal dan abu yang dihasilkan adalah vitrified bersama dengan serbuk cullet kaca dalam relau suhu tinggi untuk menghasilkan abu yang dibelanjakan yang stabil yang terbenam dalam kaca . Faktor-faktor yang mempengaruhi sisa imobilisasi ini, seperti kestabilan haba, kestabilan radiologi dan kebolehcapaian lejang telah diselidiki. Walau bagaimanapun, hasil ujian ini, yang termasuk kepekatan aktiviti radionuklida dalam sanga, suhu penyaman optimum - berkaitan dengan pengurangan volum semasa penghidratan - dan nisbah pencampuran isipadu bahan matriks dilaporkan. Telah didapati bahawa radionuklida yang terdapat dalam resin yang dibelanjakan adalah 54Mn, 60Co dan 152Eu. Komposisi kimia asas (karbon, hidrogen, nitrogen dan sulfur) yang dibelanjakan adalah 27.6% C, 5.68% H, 2.04% N dan 4.20% S. Nilai maksimum kalori yang dibelanjakan adalah 1735 kJ / kg. Purata aktiviti kepekatan 54Mn dan 60Co abu pada 200oC adalah 9,411 ± 243 Bq / Kg dan 12,637 ± 201 Bq / Kg. gas serombong yang mengandungi CO2, CO, SO2 dan NO mula dikeluarkan melebihi 200oC. Suhu penyaman optimum juga merupakan yang tertinggi diuji, iaitu 900oC dalam masa 45 minit, dan abu nisbah pencampuran terbaik untuk bahan matriks juga tertinggi, iaitu 1: 9. Akhir sekali, analisis larutan terak di 900oC dalam 45 minit menunjukkan bahawa aktiviti larutan 60Co berada di bawah 0.5 Bq / mL.