Phenomenological study and modeling of tritium trapping in tritiated waste drums

Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène est actuellement utilisé dans le cadre d’études sur la fusion nucléaire. Avec la mise en fonctionnement de la machine ITER (International Tokamak Experimental Reactor) à l’horizon 2020, la quantité de déchets radioactifs tritiés augmentera fortement. De par sa mobilité le tritium est difficile à confiner dans un fût de déchets et les critrères d’acceptabilité de l’ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs) étant stricts pour ce qui concerne le taux de dégazage des colis de déchets tritiés, il est nécessaire de trouver des solutions adaptées pour le stockage de ces déchets radioactifs tritiés. L’une des solutions est de piéger le tritium au sein des fûts de déchets. Ce dernier peut se trouver sous trois formes dans les colis : sous forme d’eau tritiée HTO ou T2O, sous forme gazeuse HT ou T2 ou lié à la matière organique (Organic Bounded Tritium) OBT. Une étude expérimentale a été effectuée au CEA sur l’étude du piégeage du tritium par un mélange de 90% d’oxyde de manganèse et de 10% d’oxyde d’argent. Les tests ont montré que l’ajout de catalyseurs tels Pt et Pd ainsi que l’imprégnation du mélange de poudres lors de la préparation du mélange, par des solutions de KOH ou NaOH n’amélioraient pas la capacité de piégeage du mélange de poudres. Des analyses cristallochimiques ont mis en évidence la formation d’un oxyde mixte lors de la préparation des poudres, remettant en cause les mécanismes établis précédemment. Deux nouveaux mécanismes ont été proposés et un modèle comportemental sur la cinétique de piégeage a été présenté. Les résultats de la modélisation de la compétition entre le phénomène de piégeage et la diffusion du tritium à travers la paroi du colis de déchet ont montré que le piégeur diminuait bien la valeur du flux en hydrogène tritié dégazé du colis.ITER (International Tokamak Experimental Reactor) is a fusion machine which should demonstrate scientific and technological feasibility of fusion energy by means of D-T fusion reaction. Therefore, most of the solid radioactive waste produced during operation and dismantling phase (around 34000 tons) will result not only from activation by 14 MeV neutrons, but also from contamination by tritium. One of the main issues in tritiated waste management is the confinement of tritium which presents a good ability to diffusion. One of the solutions is to trap the tritium directly in waste drums. In containers tritium is under gaseous form (HT and T2), tritiated water vapor (HTO and T2O) and organic bounded tritium species (OBT). As an hydrogen isotope, HT and T2 trapping and conversion is possible thanks to a reaction with a mix of metal oxides MnO2 and Ag2O, which can be used for hydrogen hazards mitigation. An experimental study was conducted at the CEA on the study of tritium trapping by a mixture of 90% of manganese oxide and 10% of silver oxide. The tests showed that the addition of Pt and Pd catalysts did not improve the trapping capacity of the powder mixture, such as impregnation of the powder mixture when preparing the mixture, with solutions of KOH or NaOH. Crystal-chemical analysis revealed the formation of a mixed oxide in the preparation of powders, questioning the mechanisms previously established. Two new mechanisms have been proposed and a model on the trapping kinetics was presented. The results of modeling the competition between the trapping phenomenon and the diffusion of tritium through the wall of the waste package showed that the trapper decreased the value of the quantity of tritiated hydrogen degassed from the packag