The focus of this doctoral thesis is the redox chemistry involved in radiation induced oxidative dissolution of spent nuclear fuel and UO2 (as a model substance for spent nuclear fuel). It is shown that two electron oxidants are more efficient than one electron oxidants in oxidative dissolution of UO2 at low oxidant concentrations. Furthermore, it is shown that H2O2 is the only oxidant that has to be taken into account in radiation induced dissolution of UO2 under deep repository conditions (granite groundwater dominated by α-radiolysis). Previously determined rate constants for oxidation of UO2 by H2O2 and O2, and rate constants for dissolution of U(VI) from the surface are successfully used to reproduce numerous UO2 dissolution rates reported in the literature. The impact of reactive solutes (Fe(II)(aq), 2-propanol and chloride) and Pd-inclusions (as a model for ε-particles) in combination with H2, on radiation induced oxidative dissolution of UO2 is investigated. It is shown that both the studied reactive solutes (under oxygen free conditions) and the combination of Pd inclusions and H2 inhibit the dissolution. Calculations (based on the fuel inventory) show that 1 µM Fe(II)(aq) decreases the dissolution rate by a factor of ~50 and that 1 ppm surface coverage of ε-particles is sufficient to completely stop the dissolution of 100 year old fuel (assuming 40 bar H2).The dissolution behavior of NpO2 and PuO2 in H2O2 containing aqueous solution without complexing agent is studied and compared to UO2. Based on the measured dissolution rates, we would not expect the dissolution of the actinides to be congruent. Instead, in a system without complexing agent, the rates Np and Pu are expected to be lower than the U release rate. The effect of ionizing irradiation on the UO2 reactivity is studied in order to elucidate the effect of self-irradiation on the reactivity of the spent fuel matrix. It is shown that a threshold dose must be achieved before any effect of irradiation can be seen. Beyond the threshold the reactivity seems to increase with increasing dose. Furthermore, the effect appears to be permanent. The effect of particle size on the reactivity of UO2 powder is studied in view of proposed theories suggesting a particle size dependence of both the pre-exponential factor and the activation energy for redox reactions. The rate constant and activation energy for oxidation of UO2 by MnO4- seems to agree with the proposed equations. The radiation chemical synthesis of UO2 nanoparticles is studied. It is shown that U(VI) released by dissolution of spent nuclear fuel could be reduced to UO2 nanoparticles.These particles could, due to their high reactivity towards H2O2, act as oxidant scavenger in a future deep repository for spent nuclear fuel. / Denna doktorsavhandling behandlar redoxprocesser involverade i strålningsinducerad oxidativ upplösning av använt kärnbränsle och UO2 (som modellsubstans för använt kärnbränsle).Detta arbete visar att två-elektron oxidanter är mer effektiva än en-elektron oxidanter i oxidativ upplösning av UO2 vid låga oxidantkoncentrationer. Dessutom visas, på kinetiska grunder,att H2O2 är den enda oxidant som måste tas hänsyn till vid stålningsinducerad oxidativ upplösning av UO2 under djupförvarsförhållanden (granitiskt grundvatten dominerat av α-radiolys). Tidigare bestämda hastighetskonstanter för oxidation av UO2 med H2O2 och O2, samt hastighetskonstanter för upplösning av U(VI) från ytan har framgångrikt använts för att återskapa UO2 upplösningshastigheter rapporterade i litteraturen. Inverkan av reaktiva ämnen i vattenfas (Fe(II)(aq), 2-propanol och klorid) samt av Pd-inneslutningar (som modell av ε-partiklar) i UO2 matrisen i kombination med H2, på strålningsinducerad upplösning av UO2 har studerats. Studien visar att både de reaktiva ämnena i vattenfasen (under syrefria förhållanden) och Pd- inneslutningar i kombination med H2 hämmar upplösningen. Beräkningar (baserade på ett bränsleinventarie) visar att 1 µM Fe(II)(aq) minskar upplösningshastigheten med en faktor ~50 samt att 1 ppm ytbeläggning av ε-partiklar är tillräckligt för att effektivt stoppa uppslöningen av 100 år gammalt bränsle (vid 40 bar H2).Upplösning av NpO2 och PuO2, i jämförelse med UO2,har studerats i vattenlösning innehållande H2O2 utan komplexbildare. Baserat på de uppmätta upplösningshastigheterna förväntas upplösningen av dessa aktinider från UO2-bränsle vara inkongruent. I ett system utan komplexbildare kan NpO2 odh PuO2 upplösningshastighetern förvantas vara lägre än UO2 upplösningshastigheten. Effekten av joniserande strålning på reaktiviteten hos UO2 har studerats för att klargöra effekten av egen-bestrålning. Studien visar att dosen måste nå ett visst tröskelvärde innan någon effekt på reaktiviteten kan observeras. Vid doser över tröskelvärdet ökar reaktiviteten med ökande dos. Effekten verkar vara permanent. Partikelstorlekens inverkan på reaktiviteten hos UO2 pulver har studerats med utgångspunkt i föreslagna samband mellan partikelstorlek och pre-exponentiell faktor och mellan partikelstorlek och aktiveringsenergi. Studien visar att hastighetskonstanten och aktiveringsenergin för reaktionen mellan UO2 och MnO4- överenstämmer med de föreslagna sambanden. Stålningskemisk syntes av UO2 nanopartiklar har studerats. Studien visar att U(VI) frigjort genom upplösning av använt kärnbränsle i ett djupförvar kan reduceras till UO2 nanopartiklar. Dessa partiklar kan, på grund av sin höga reaktivitet med H2O2, fungera som infångare av oxidanter i ett framtida djupförvar för använt kärnbränsle. / QC 20100908
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-4901 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Roth, Olivia |
| Publisher | KTH, Kärnkemi, Stockholm : KTH |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Trita-CHE-Report, 1654-1081 ; 2008:60 |
Page generated in 0.003 seconds