The US Department of Energy’s Idaho National Laboratory (INL) has been operating a molten salt electrorefiner at their facility since 1996. The baseline method for disposal of the radioactive salt is the ceramic waste process which generates glass bonded sodalite loaded with chloride salts. This process starts with the high temperature absorption of the salt into zeolite-4A. The salt-loaded zeolite is then blended with glass frit and heated to form a sintered, glass-bonded sodalite. INL is currently assessing alternatives for disposal of the ER salt because of the lengthy processing times, costly equipment and large volume of waste associated with the baseline process. An alternative process was studied, where protonated zeolite was used instead of alkali metal-substituted zeolite. It was found that the metals contained in the salt can replace the protons in the zeolite which are evolved via formation of HCl. From the standpoint of generating a nuclear waste form, the evolution of HCl gas should reduce the weight of the final waste. It has been estimated that the volume of waste produced from immobilizing the INL electrorefiner salt could be reduced by a factor of three using this process followed by sintering the fission product loaded zeolite. Equipment requirements in the hot cell would be significantly simplified, and the time to process all of the waste salt would be reduced by almost a factor of 4. An investigation into the new process has been presented here.

본 연구는 제올라이트 Y (Si/Al = 1.56)에서 Cs+ 이온 교환에 Ca2+ 이온의 경쟁 양이온 효과를 연구하기 위해 수행되었다. 완전히 탈수되고 부분적으로 Cs+ 이온으로 교환된 3개의 제올라이트 Y(Si/Al = 1.56)의 단결정은 혼합이온교환 용액을 사용하여 흐름법으로 제조되었으며, 전체 농도가 0.05 M인 이온교환용액의 CsNO3 : Ca(NO3)2 몰비는 1 : 1 (Crystal 1), 1 : 100 (Crystal 2) 및 1 : 250 (Crystal 3)이다. 이온교환된 단결정을 723 K에서 2일 동안 1 × 10-4 Pa로 진공 탈수시켰으며, 결정구조는 100(1) K에서 입방공간군 Fd3̅m을 사용하여 단결정 싱크트론 X선 회절법으로 해석하고 구조를 정밀화하였다. Crystal 1, 2 및 3의 단위세포당 화학식은 |Cs21Ca27|[Si117Al75O384]-FAU, |Cs2Ca36.5|[Si117Al75O384]-FAU 및 |Cs1Ca37|[Si117Al75O384]-FAU이다. 3개의 결정 모두에서, Ca2+ 이온은 D6Rs 내의 site I을 우선적으로 점유하고 있으며 나머지는 site I’, II’ 및 II를 점유하고 있다. 한편 주어진 이온교환용액의 초기 Cs+ 이온의 농도에 따라 Cs+ 이온의 분포에 중요한 차이가 관찰되었다. Crystal 1에서는 Cs+ 이온이 site II’, II, III와 III’에 위치하고 있으며, Crystal 2에서는 site II, IIIa, IIIb에 위치하고 있다. Crystal 3에서는 Cs+ 이온은 site IIIa 및 IIIb에만 위치하고 있다. 초기 Ca2+ 이온의 농도가 증가하고 Cs+ 이온의 농도가 감소에 따라 Cs+ 이온의 교환정도는 28.0에서 2.7과 1.3 %로 급격히 감소하였다.

Cd2+ 이온으로 교환된 제올라이트 Y 단결정은 294 K에서 |Na75|[Si117Al75O384]-FAU(Na75-Y, Si/Al = 1.56)에 0.05 M인 Cd(NO3)2(pH = 3.65)수용액으로 교환하여 723 K에서 진공 탈수를 통해 준 비하였고(crystal 1) 두 번째 결정은 첫 번째 결정과 같이 준비한 뒤 294 K에서 건조된 벤젠을 72시간 동안 노출시켜 준비했다(crystal 2). 이들의 구조는 싱크로트론 X-선을 이용하여 결정학적으로 확인하 였고 Fo > 4σ(Fo)를 사용하여 최종 오차 인자를 각각 R1/wR2 = 0.040/0.121 그리고 0.052/0.168로 정 밀화하였다. Crystal 1(|Cd36H3|[Si117Al75O384]-FAU)에서 Cd2+이온은 주로 site I과 site IIa에 점유되어 있었고, 이와 더불어 site I’, II’ 그리고 site IIb에도 Cd2+ 이온이 점유되어졌다. Crystal 2(|Cd35(C6H6)24H5|[Si117Al75O384]-FAU)에서 Cd2+ 이온은 다섯 개의 결정학적 자리에 점유되었다. 24개 의 벤젠분자는 supercage 내부에서 두 개의 뚜렷한 자리에서 발견 되었다. 17개의 벤젠분자는 site IIa 에 있는 Cd2+ 이온과 면상에서 서로 상호작용하였고 supercage 안에서 3회 회전축 상에서 발견되었다. 나머지 7개의 벤젠분자는 12-ring 면상에서 골격(framework)산소들과 함께 약한 다수의 정전기적인 작용과 van der Waals 상호작용으로 안정화되어 있었다.