The results of process development for the blending of waste salt from the electrorefining of spent fuel with zeolite-A are presented. This blending is a key step in the ceramic waste process being used for treatment of EBR-II spent fuel and is accomplished using a high-temperature v-blender. A labscale system was used with non-radioactive surrogate salts to determine optimal particle size distributions and time at temperature. An engineering-scale system was then installed in the Hot Fuel Examination Facility hot cell and used to demonstrate blending of actual electrorefiner salt with zeolite. In those tests, it was shown that the results are still favorable with actinide-loaded salt and that batch size of this v-blender could be increased to a level consistent with efficient production operations for EBR-II spent fuel treatment. One technical challenge that remains for this technology is to mitigate the problem of material retention in the v-blender due to formation of caked patches of salt/zeolite on the inner v-blender walls.
Kang, Dokyu;Amphlett, James T.M.;Choi, Eun-Young;Bae, Sang-Eun;Choi, Sungyeol
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.5
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pp.1534-1539
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2021
This study reports on the dissolution behavior of SrO in LiCl at varying SrO concentrations from low concentrations to excess. The amount of SrO dissolved in the molten salt and the species present upon cooling were determined. The thermal behavior of LiCl containing various concentrations of SrO was investigated. The experimental results were compared with results from the simulated results using the HSC Chemistry software package. Although the reaction of SrO with LiCl in the standard state at 650 ℃ has a slightly positive Gibbs free energy, SrO was found to be highly soluble in LiCl. Experimentally determined SrO concentrations were found to be considerably higher than those present in used nuclear fuel (<2 g/kg). As Sr-90 is one of the most important heat-generating nuclides in used nuclear fuel, this finding will be impactful in the development of fast, simple, and proliferation-resistant heat reduction processes for used nuclear fuel without the need for separating nuclear materials. Heat reduction is important as it decreases both the volume necessary for final disposal and the worker handling risk.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.15
no.2
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pp.117-124
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2017
Densities of molten salt mixtures of eutectic LiCl-KCl with $UCl_3$, $CeCl_3$, or $LaCl_3$ at various concentrations (up to 13 wt%) were measured using a liquid surface displacement probe. Linear relationships between the mixture density and the concentration of the added salt were observed. For $LaCl_3$ and $CeCl_3$, the measured densities were significantly higher than those previously reported from Archimedes' method. In the case of $LiCl-KCl-UCl_3$, the data fit the ideal mixture density model very well. For the other salts, the measured densities exceeded the ideal model prediction by about 2%.
Versey, Joshua R.;Phongikaroon, Supathorn;Simpson, Michael F.
Nuclear Engineering and Technology
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v.46
no.3
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pp.395-406
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2014
This study provides a fundamental understanding of a cold finger melt crystallization technique by exploring the heat and mass transfer processes of cold finger separation. A series of experiments were performed using a simplified LiCl-CsCl system by varying initial CsCl concentrations (1, 3, 5, and 7.5 wt%), cold finger cooling rates (7.4, 9.8, 12.3, and 14.9 L/min), and separation times (5, 10, 15, and 30 min). Results showed a potential recycling rate of 0.36 g/min with a purity of 0.33 wt% CsCl in LiCl. A CsCl concentrated drip formation was found to decrease crystal purity especially for smaller crystal formations. Dimensionless heat and mass transfer correlations showed that separation production is primarily influenced by convective transfer controlled by cooling gas flow rate, where correlations are more accurate for slower cooling gas flow rates.
Williams, A.N.;Shigrekar, A.;Galbreth, G.G.;Sanders, J.
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.7
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pp.1452-1461
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2020
A triple bubbler sensor was tested in LiCl-KCl molten salt from 450 to 525 ℃ in a transparent furnace to validate thermal-expansion corrections and provide additional molten salt data sets for calibration and validation of the sensor. In addition to these tests, a model was identified and further developed to accurately determine the density, surface tension, and depth from the measured bubble pressures. A unique feature of the model is that calibration constants can be estimated using independent depth measurements, which allow calibration and validation of the sensor in an electrorefiner where the salt density and surface tension are largely unknown. This model and approach were tested using the current and previous triple bubbler data sets, and results indicate that accuracies are as high as 0.03%, 4.6%, and 0.15% for density, surface tension, and depth, respectively.
Deposition behaviors of Sr and Cs in various liquid cathodes, such as Zn, Bi, Cd, and Pb, were examined to evaluate their recovery from LiCl-KCl eutectic salt. Cations in the salt were deposited on the liquid cathode, exhibiting potential of -1.8 to -2.1 V (vs. Ag/AgCl). Zn cathode had successful deposition of Sr and exhibited the highest recovery efficiency, up to 55%. Meanwhile, the other liquid cathodes showed low current efficiencies, below 18%, indicating LiCl-KCl salt decomposition. Sr was recovered from the Zn cathode as irregular rectangular SrZn13 particles. A negligible amount of Cs was deposited on the entire liquid cathode, indicating that Cs was hardly deposited on liquid cathodes. Based on these results, we propose that liquid Zn cathode can be used for cleaning Sr in LiCl-KCl salt.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.13
no.3
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pp.181-186
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2015
It is necessary to develop an effective waste salt treatment technology for the minimization of radioactive waste generation from the pyroprocessing of spent nuclear fuel. For this reason, the separation characteristics of NdCl3 from LiCl-KCl eutectic salt in a reactive distillation process using Li2CO3 or K2CO3 were observed. NdCl3 was converted into oxychloride (NdOCl) or oxide (Nd2O3) in the reaction model between NdCl3 and the carbonates using HSC-Chemistry, and this result was confirmed in the reactive distillation test of the LiCl-KCl-NdCl3 system using the carbonates. Based on these results, the reactive distillation process conditions were determined to separate NdCl3 into an oxide form (Nd2O3) which can be easily fabricated into a final waste form.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.8
no.1
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pp.19-32
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2010
Electrolytic reduction technology is essential for the purpose of adopting pyroprocessing into spent oxide fuel as an alternative option in a back-end fuel cycle. Spent fuel consists of various metal oxides, and each metal oxide releases an oxygen element depending on its chemical characteristic during the electrolytic reduction process. In the present work, an electrolytic reduction behavior was estimated for voloxidized spent fuel based on the assumption that each metal-oxygen system is independent and behaves as an ideal solid solution. The electrolytic reduction was considered as a combination of a Li recovery and chemical reactions between the metal oxides such as uranium oxide and the produced Li metal. The calculated result revealed that most of the metal oxides were reduced by the process. It was evaluated that a reduced fraction of lanthanide oxides increased with a decreasing $Li_2O$ concentration. However, most of the lanthanides were expected to be stable in their oxide forms. In addition, a semi-empirical model for describing $U_3O_8$ electrolytic reduction behavior was proposed by considering Li diffusion and a chemical reaction between $U_3O_8$ and Li. Experimental data was used to determine model parameters and, then, the model was applied to calculate the reduction yield with time and to estimate the required time for a 99.9% reduction.
Simpson, Michael F.;Yoo, Tae-Sic;Labrier, Daniel;Lineberry, Michael;Shaltry, Michael;Phongikaroon, Supathorn
Nuclear Engineering and Technology
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v.44
no.7
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pp.767-772
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2012
In support of optimizing electrorefining technology for treating spent nuclear fuel, lithium drawdown has been investigated for separating actinides from molten salt electrolyte. Drawdown reaction selectivity is a major issue that requires investigation, since the goal is to remove actinides while leaving the fission products and other components in the salt. A series of lithium drawdown tests with surrogate fission product chlorides was run to obtain selectivity data with non-radioactive salts, develop a predictive model, and draw conclusions about the viability of using this process with actinide-loaded salt. Results of tests with CsCl, $LaCl_3$, $CeCl_3$, and $NdCl_3$ are reported here. Equilibrium was typically achieved in less than 10 hours of contact between lithium metal and molten salt under well-stirred conditions. Maintaining low oxygen and water impurity concentrations (<10 ppm) in the atmosphere was observed to be critical to minimize side reactions and maintain stable salt compositions. An equilibrium model has been formulated and fit to the experimental data. Good fits to the data were achieved. Based on analysis and results obtained to date, it is concluded that clean separation between minor actinides and lanthanides will be difficult to achieve using lithium drawdown.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2009.06a
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pp.73-73
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2009
There are many factors to evaluate nuclear fuel cycle such as safety, public acceptance, economics, etc.. Transparency, proliferation, environment issues, public acceptance and safety are essential to expansion of nuclear industry and proliferation resistance is one of key constraints in the deployment of advanced nuclear energy systems. Proliferation resistance is being considered as one of the most important factors in assessing advanced and innovative nuclear systems. IAEA defmes proliferation resistance as characteristics of nuclear energy system that impedes the diversion or undeclared production of nuclear material [1]. Barriers to proliferation is consist of intrinsic and extrinsic barriers(institutional measures). Intrinsic barriers are characterized in material barriers and technical barriers in general. Material barriers is intrinsic, or inherent, qualities of materials that reduce the inherent desirability or attractiveness of the material as an explosive. Isotopic, chemical, radiological, mass and bulk, detectability barriers are considered as material barriers attributes [2]. Proliferation resistance is examined for several nuclear fuel cycles based on previous study which is focused on the intrinsic barriers [3-4]. Pyroprocessing and DUPIC are considered as reprocessing technologies in Korea and the PWR direct disposal is considered. Comparative assessments of the proliferation attributes and merits of different fuel cycle systems will be performed and the optimal back-end fuel cycle and strategy will be proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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