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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF Dipartimento di ENERGIA Centro Studi Nucleari Enrico Fermi Radiochimica e Chimica delle Radiazioni nel Ciclo del Combustibile Nucleare Mario Mariani Francesca Giacobbo Enrico Padovani

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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF

Dipartimento di ENERGIA

Centro Studi Nucleari Enrico Fermi

Radiochimica e Chimica delle Radiazioni nel Ciclo del Combustibile Nucleare

Mario Mariani

Francesca Giacobbo

Enrico Padovani

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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF

Laboratory of Radiochemistry & Radiation Chemistry

and

Laboratory of Contaminants Migration & Safeguards

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Lab Equipments

• UV-VIS, IR spectrophotometers• potentiometric and electrochemical equipments• HPLC• ICP-MS• experimental columns for transport experiments• lisimeter filled with sand and clay

• hot cells and gloves boxes

• HPGe X-γ ray detectors• NaI(Tl) detectors• alfa spectrometers• positron annihilation lifetime spectrometers• centrifugal contactor battery• fast neutron and gamma ray detectors

Radiochemistry & Radiation Chemistry LabContaminants Migration & Safeguards Lab

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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF

Radiochemistry & Radiation Chemistry and Contaminant Transport & Safeguards Labs

Permanent staff:• Mario Mariani (Researcher)

• Francesca Giacobbo (Researcher)

• Enrico Padovani (Researcher)

• Mirko Da Ros (technician)

• Marco Giola (technician)

2 Post Doctoral Researchers

3 PhD students

4 Undergraduate students

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• Partitioning of Fission Products, Lanthanides and Minor Actinides(i.e. Am, Cm…) from irradiated spent nuclear fuel

• Confinement of Nuclear Waste into inert solid matrices (i.e. zeolites, apatites, glasses…)

• Decommissioning & Waste Management of industrial and nuclear plants

• Radiation Damage of materials and ageing

• Radiation Processing for the improvement of the chemicalphysical properties of materials

• Chemical Dosimetry for technological and medical appplications

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

Basic and Applied Research Activities

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Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

Strategies for nuclear waste management

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Fuel Cycle

• partitioning

Solvent extraction

• confinement

Synthesis and characterization of matrices

Advanced strategiesfor radioactive wastemanagement:

Radiochemistry & Radiation Chemistry LabRadiochemistry & Radiation Chemistry

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Reprocessing of spent nuclear fuel

• Partitioning of minor actinides (Am, Cm) from lanthanides by means of solvent extraction

EC Projects:

• Newpart (FP4)

• Partnew (FP5)

• Europart (FP6)

• ACSEPT (FP7)

Funding:

• European Commission –EURATOM Programme

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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AQUEOUS PHASE ORGANIC PHASE

OHOH HO

RR R R

OH

Lnacq

Anacq

AQUEOUS PHASE ORGANIC PHASE

OHOH HO

RR R R

OH

Lnacq

Anacq

Lnorg

Anorg

• Solvent Extraction on simulated spiked solutions

Reprocessing of spent nuclear fuel: Partitioning of MAs

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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Reprocessing of spent nuclear fuel: Partitioning of MAs

• Examples of organic extractants

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

Supramolecular ligands BTBPs

N N

N

N

NN

N

N

N N

N

N

NN

N

N

Collaborations within the extractants synthesis:

• Università di Parma

• University of Reading (UK)

Collaborations within the extraction tests:• Università di Parma• University of Reading (UK) • CSIC - Barcellona

Example: PAR4

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Diluent+

Ligand-An

HNO3 aq

+

Ln

HNO3 aq+

An/Ln

Diluent+

Ligand

γγγγ

γγγγγγγγ

γγγγ

O

2

O

2

O

2

LLLL

LLLLLLLL LLLLLLLL

LLLL

LLLL

LLLL

LLLLLLLLLLLL

Engineering of solvent extration: Centrifugal Contactors (I)

• working scheme of a centrifugal contactor

Laboratory of Radiochemistry & Radiation Chemistry

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Engineering of solvent extration: Centrifugal Contactors (II)

• example of 16-stage centrifugal contactor battery

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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1 EXTRACTION BATTERY 8

Ln

An

Ln+An

ORGANIC PHASE

AQUEOUS PHASE

Profile of H+, Am(III), and Eu(III) concentration in organic phase

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

0 2 4 6 8 10

stage number

con

cen

trat

ion

(m

ol.L

-1)

H+

Am

Eu

> 130000> 95Am3+/Eu3+

decontamina-tion factor

99.99%99.67%Am3+

recovery

16-STAGE8-STAGE

An example of calculated process scheme

LigandPAR4

• the processflow-sheet can be designed and its performancescalculated

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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Confinement

• Confinement of chloride/fluoride waste coming from pyrometallurgical partitioning processes in inorganic matrices

Projects:

• ACSEPT (FP7)

Collaborations:

• ENEA - Casaccia;

• CEA - Marcoule

Funding:

• European Commission –EURATOM Programme

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

Fluoroapatite

Sodalite

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Radiation Chemistry: Radiation Damage studies within Partitioning

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

• Irradiation Effects: reduction of extracting capabilities and selectivity

T. Retegan, C. Ekberg, S. et all “The behaviour of organic solvents containing C5-BTBPand CyMe4-BTBP at low irradiation doses”Radiochim. Acta 95, 637–642 (2007)

Case study: C5-BTBP dissolved in cyclohexanone

SF= DAn / DLn

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• Influence of the aromatic density on the stability

• Role of Oxygen in the radiation damage

• Radicals produced and their characterization

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

Radiation Damage on Polymers

• Effects induced by ionizing radiation on polymers

O

O

*

O *

O

O

O

O

O

*

*

PENPET

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PEN films

PET films

PEN sheets

PET sheets

Laboratory of Radiochemistry & Radiation Chemistry

Radiation Damage on Polymers

• Molecular Weight Variation

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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

HO

O

O

O

O

CO2

H

Radiation Damage on Polymers

• Degradation Mechanism

Collaborations:

• Università di Pavia

• Università di Bologna

PEA

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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Chemical Dosimetry for radiotherapy and industrial applications

Collaborations: Università di Milano, Università di Pavia

• Inorganic chemical dosimeters: study of dosimetric systems in gel state (Frixy-Gel) for high and low radiation doses.

• Polimeric dosimeters: development of a dosimeter based on polymerization promotedby ionizing radiation.

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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• Radiochemical separation

• Analysis of difficult-to-measureradionuclides (i.e. H-3, Fe-55, Ni-59, Ni-63, Sr-90, α-emitters) in nuclearwastes

• Chemical physical and radiometricalcharacterization

• Methods for removal, treatment and confinement

Decommissioning & Waste Management

TENORM (Technologically EnhancedNaturally Occurring RadioactiveMaterials) from industrial plants

Nuclear Waste characterization

Radiochemistry & Radiation Chemistry Lab

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Contaminant transport in porous media

Measurements and modelling of processes that govern contaminant transport through porous media

Applicationsnuclear waste disposal, groundwater pollution and

remediation

Investigated Processes: Advection, dispersion, adsorption, desorptionExperiments: Batch and Column experimentsPorous media: Sands and Activated carbonsContaminants: Salts, Metal ions and Micro organic pollutants

Predictive Models: Development of deterministic and stochastic models of contaminant transport in porous and fractured media

Contaminants Migration and Safeguards Lab

Collaborations: Università di Milano, Parma, Pavia, Politecnico di Torino

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Contaminant transport in porous media

Contaminants Migration and Safeguards Lab

Collaborations: Università di Milano, Parma, Pavia, Politecnico di Torino

StrumentazioneStrumentazione

• colonne sperimentali

• spettrofotometro UV-Vis

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Contaminant transport in porous media

Contaminants Migration and Safeguards Lab

Collaborations: Università di Milano, Parma, Pavia, Politecnico di Torino

• sistema HPLC

• strumentazione per misure potenziometriche,conduttimetriche e di radiazione gamma

StrumentazioneStrumentazione

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Contaminant transport in porous media

Contaminants Migration and Safeguards Lab

Collaborations: Università di Milano, Parma, Pavia, Politecnico di Torino

lisimetro contenente sabbie e argille

StrumentazioneStrumentazione

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Nuclear safeguards

?

Fissile sample

Detectors

Interrogating source

Detector

Simulation of correlated count measurements for the detection of nuclear materials inside sealed tanks

by means of passive and active (neutron, photon) interrogation

Monte Carlo code developing: MCNP-PoliMi, customized MCNPX

Applications: U.S.A. homeland security

Collaborations: University of Michigan, ORNL, JRC-Ispra

Contaminants Migration and Safeguards Lab

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DIPARTIMENTO DI ENERGIA - CeSNEF

Nuclear safeguards

Collaborations: University of Michigan, ORNL, JRC-Ispra

Contaminants Migration and Safeguards Lab

sistema di misura di fotoni e neutroni veloci

StrumentazioneStrumentazione