Development of a research plan for electrochemical studies of gadolinium doped uranium oxide

Abstract

Actualment, el combustible nuclear és una de les fonts d’energia més emprades del planeta. En la majoria de casos, l’òxid d’urani (UO2) constitueix majoritàriament el combustible degut a la seva alta eficiència i les seves beneficioses propietats. No obstant, l’ús d’aquest genera una immensa quantitat de residus altament radioactius i, per tant, necessaris de gestionar. Un dels conceptes més acceptats que ja s’ha començat a posar en marxa en alguns països és l’emmagatzematge geològic profund: un sistema multi barrera d’aïllament natural que té l’objectiu d’acumular el combustible nuclear gastat durant milers d’anys i així, protegir el medi ambient de qualsevol radiació perillosa. Tot i que el disseny d’aquestes estructures està molt examinat, els enginyers preveuen el seu possible fracàs i conseqüentment, el contacte de les aigües subterrànies amb l’òxid d’urani en un futur llunyà. D’aquesta manera, una gran quantitat d’estudis han focalitzat el seu propòsit en determinar les possibles reaccions i processos que es durien a terme si l’esdeveniment de fallada succeís. Aquest projecte forma part del grup d’investigació “R2EM Resource Recovery and Environmental Management” de l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE). Una de les principals finalitats del treball és recopilar i analitzar informació bibliogràfica respecte la corrosió del combustible nuclear gastat en les condicions esperades de l’emmagatzematge geològic profund. Mitjançant aquesta exhaustiva recerca, s’han identificat algunes de les diferents situacions experimentals que encara estan per ampliar, com per exemple: els combustibles dopats, les condicions híper alcalines i la presència de calci i silicat en les aigües subterrànies, entre d’altres. Per aquesta raó, s’ha dissenyat un futur pla d’investigació que treballa en aquestes determinades circumstàncies i que descriu detalladament les tècniques de caracterització i els diferents mètodes necessaris per tal de realitzar estudis electroquímics d’òxid d’urani dopat amb gadolini. D’aquesta manera, serà possible generar nous resultats cobrint les especificades condicions i alhora, complementant l’actual literatura.

Actualmente, el combustible nuclear es una de las fuentes de energía más empleadas del planeta. En la mayoría de casos, el óxido de uranio (UO2) constituye mayoritariamente el combustible debido a su alta eficiencia y a sus propiedades beneficiosas. Sin embargo, el uso de este genera una inmensa cantidad de residuos altamente radiactivos y, por lo tanto, necesarios de gestionar. Uno de los conceptos más aceptados que ya se ha comenzado a poner en marcha en algunos países es el almacenamiento geológico profundo: un sistema multi barrera de aislamiento natural que tiene el objetivo de acumular el combustible nuclear gastado durante miles de años y así, proteger el medio ambiente de cualquier radiación peligrosa. Aunque el diseño de estas estructuras está muy examinado, los ingenieros prevén su posible fracaso y consecuentemente, el contacto de las aguas subterráneas con el óxido de uranio en un futuro lejano. De este modo, una gran cantidad de estudios han focalizado su objetivo en determinar las posibles reacciones y procesos que se llevarían a cabo si el evento de fallo sucediera. Este proyecto es parte del grupo de investigación R2EM (Resource Recovery and Environmental Management) de la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE). Una de las principales finalidades del trabajo es recopilar información bibliográfica acerca de la corrosión del combustible nuclear gastado en las condiciones esperadas en el repositorio. Mediante esta búsqueda exhaustiva, se han identificado diferentes situaciones experimentales que están aún por ampliar, como, por ejemplo: los combustibles dopados, las condiciones hiper alcalinas, la presencia de calcio y silicato en aguas subterráneas, entre otras. Así pues, se ha diseñado un futuro plan de investigación que trabaja en estas determinadas circunstancias y, además, describe detalladamente las técnicas de caracterización y los distintos métodos analíticos necesarios para hacer realizar estudios electroquímicos de óxido de uranio dopado con gadolinio. De esta manera, será posible generar nuevos resultados cubriendo las condiciones especificadas y a su misma vez, complementar la actual literatura.

Nowadays, nuclear fuel is one of the most widely used sources of energy of the planet. In most cases, the fuel is mainly constituted by uranium oxide (UO2) due to its high efficiency and beneficial properties. However, its use generates an immense amount of highly radioactive waste which is extremely necessary to manage. One of the most accepted concepts that has started to be implemented in some countries is the deep geological repository (DGR): a multi-barrier and natural isolation system which has the objective of accumulating the spent nuclear fuel (SNF) for thousands of years and hence, protect the environment from any dangerous radiation. Although the design of these structures has been extensively examined, engineers foresee their possible failure and, consequently, the contact of groundwater with uranium oxide in a future. In this way, a large number of studies have focused on determining the possible reactions and processes that would take place if the failure event occurred to happen. This project is part of the R2EM (Resource Recovery and Environmental Management) research group of the Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE). One of the main purposes of the work is to collect bibliographic information regarding the corrosion of spent nuclear fuel under the expected conditions in the repository. Through this exhaustive search, different experimental situations that are still to be expanded have been identified, such as: doped fuels, hyper alkaline conditions, the presence of calcium and silicate in groundwater, among others. Thus, a future research plan has been designed, which works in these specific circumstances and also, detailly describes the characterization techniques and the different analytical methods that are necessary to carry out electrochemical studies of gadolinium-doped uranium oxide. In this way, it will be possible to generate new results covering the specified conditions and therefore, complement the current literature.