Studentská vědecká konference

Jeden ze způsobů, jak imobilizovat vyprodukovaný jaderný odpad, je smíchat ho se sklotvornými přísadami a vitrifikovat ho v elektrické tavicí peci. Přeměna sklářského kmene na sklo probíhá ve vrstvě kmene, tzv. „cold-capu“, a naším cílem je pochopit všechny důležité probíhající děje a zefektivnit celý proces přeměny. Jednou z možností, jak ovlivnit rychlost tavení, je optimalizovat složení sklářského kmene. Pro zkoumání vlivu složení sklářského kmene na tavení při vitrifikaci jaderného odpadu byl vybrán kmen „AP-107“, u kterého jsme měnili složení sklotvorných přísad. V laboratoři byl nejprve připraven kmen AP-107 podle původního neoptimalizovaného složení, kdy se v simulovaném odpadním kmeni používají snadno dostupné minerály: olivín Mg2SiO₄, wollastonit CaSiO₃, zirkon ZrSiO₄ a kyanit Al₂SiO₅. U přípravy modifikovaných kmenů jsme se rozhodli minerály nahradit oxidy MgO, CaO, ZrO₂ a hydroxidem Al(OH)₃, a postupně testovat vliv jednotlivých původních minerálů. Proces přeměny kmene na sklo byl zaznamenán za pomoci vysokoteplotní pozorovací aparatury. Z procesu tavení jsme pomocí metody FET získali objemové křivky v závislosti na teplotě. Výsledky naznačují, že volba minerálů či oxidů může mít významný vliv na proces přeměny, a tedy i na rychlost tavení při vitrifikaci.

Korundová keramika je bioinertní, tvrdá, pevná a otěruvzdorná, zatímco hydroxyapatit, resp. fosforečnan vápenatý (TCP), je bioaktivní a je svým složením blízko kostnímu minerálu, který tvoří společně s kolagenem hlavní část pevné kostní tkáně. Kompozitní keramika na bázi korundu s přídavkem hydroxyapatitu kombinuje do jisté míry vlastnosti všech přítomných fází. Korund zlepšuje mechanické vlastnosti hydroxyapatitu, resp. TCP, zatímco poslední zmíněné napomáhají tvorbě pevné vazby implantátu s kostí. Předkládaná práce se zabývá přípravou kompozitu na bázi korundu (A) a hydroxyapatitu (HAP). Byly připraveny tři lisovací směsi v hmotnostních poměrech 90A10HAP, 80A20HAP a 70A30HAP.  Jako lisovací přísada bylo použito 5 hm.% PEG. Vzorky ve tvaru tablet o průměru 35 mm byly zhotoveny na laboratorním uniaxiálním lisu tlakem 50 MPa a vypáleny na teploty 1100, 1200 a 1300 °C s rychlostí ohřevu 2 °C/min a dobou výdrže 2 h na maximální teplotě. Takto připravené vzorky byly charakterizovány pomocí rentgenové fázové analýzy, Archimédových kritérií hutnosti (objemová hmotnost, zdánlivá pórovitost) a lineárním smrštěním. V závěru práce bylo provedeno měření elastických vlastností připravených kompozitů (Youngova a smykového modulu) a byla určena hodnota jejich Poissonova čísla

Udržitelnost a nová ekologizační opatření přinášejí v rámci Evropské unie nové výzvy do stavebnictví. Snižování emisí CO₂ nutí trh k hledání nových cest a využití nových materiálů jakožto příměsí do cementu či betonu. Jedním z takových materiálů by mohly být bezesporu méně kvalitní jíly. Dalšími materiály, které se na trhu začínají objevovat jsou popílky z biomasy, resp. ze spoluspalování biomasy, které však ve srovnání s klasickými popílky mají zcela odlišné složení a vlastnosti. Nesmíme však zapomínat ani na potenciální využití elektrárenských strusek. V této práci byla porovnána pucolánová aktivita, respektive reaktivita různých typů minerálních příměsí, a to jak těch klasických, tak těch nových. Reaktivita příměsí byla zjišťována prostřednictvím Frattiniho testu a testu elektrické vodivosti. Osmidenním Frattiniho testem byla prokázána pucolánová aktivita všech surovin kromě jednoho vzorku popílku z biomasy. Zkrácený jednodenní Frattiniho test ukázal na rozdílnou reaktivitu látek po jednom dni hydratace. Kvantitativní shoda mezi výsledky jednodenního Frattiniho testu a testu elektrické vodivosti však nebyla jednoznačně prokázána. Dále bylo potvrzeno, že pucolánová aktivita dodaných látek je současně určena velikostí jejich zrn.  

Many emissions are generated during the vitrification of nuclear waste. Apart from the major gaseous emissions - O₂, CO₂, H₂O and N₂, various minor off-gases (NO, N₂O, NO₂, SO₂, or CO) are released as well. Moreover, the melter off-gas can also include other trace emissions with potentially hazardous impact. Those trace components of the off-gas are by-products of reactions between nitrates and organics in the feed, such as acetonitrile. Our aim is to find a predictive tool to estimate the off-gas composition for the hundreds of waste feed compositions that will be vitrified at Hanford. We measured the gas evolution for a wide range of low-activity waste melter feeds using laboratory evolved gas analysis (EGA). The gaseous emissions are affected by the content of organic carbon and nitrogen in the feed and by the feed redox state. We show that while the gas evolution can be estimated directly from the feed composition using regression analysis, there can be significant differences in the off-gas composition between a pilot-scale melter operation and a laboratory EGA setup. This work has a potential to provide a tool that can enable fast optimization of feed composition with respect to the gaseous emissions and significantly reduce the amount of expensive experimental testing.

Hydroxyapatit sa využíva pri výrobe bioaktívnej keramiky pre jeho schopnosť podporovať rast kostných buniek a jeho nerozpustnosť vo vodnom prostredí. Práca sa zameriavala na meranie reologických vlastností hydroxyapatitových suspenzií a ich popis vhodnými matematickými modelmi. Reologické merania prebiehali na reometri Haake Mars III v rôznych konfiguráciách (doska-doska, kužeľ-doska, valec-valec). Najskôr bol sledovaný vplyv prípravy (doba miešania a vplyv ultrazvuku) pre východiskovú suspenziu (30 hm.% HA, 0,7 hm.% Dolapix CE64). Veľkosť častíc (rozdruženie aglomerátov) bolo sledované pomocou laserovej difrakcie. V práci boli skúmané 3 stekucovadlá: Dolapix CE64, TRIS a Darvan C-N a určila sa optimálna koncentrácia stekucovadla: 0,7 hm.% Dolapix CE64 a Darvan C-N; 0,9 hm.% TRIS. Najnižšie absolútne hodnoty viskozít boli namerané pre Dolapix CE64. Pre stekucovadlá Dolapix CE64 a Darvan C-N sa zostrojili krivky závislosti šmykového napätia od rýchlosti deformácie, ktoré sa fitovali Herschel-Bulkley modelom. Krivka závislosti viskozity od obsahu HA (obj.%) sa fitovala pomocou Kriegerovej rovnice. Z Kriegerovej rovnice bol určený kritický obsah tuhej fázy pre jednotlivé stekucovadlá.

Práce se zabývá přípravou fotocitlivé suspenze s obsahem kalcinovaných částic bioaktivního skla 45S5 ke stereolitografickému 3D tisku skafoldů. Pojednává o problematice skafoldů vyrobených 3D tiskem ze suspenzí s nekalcinovanými částicemi bioskla 45S5. Byla připravena suspenze s kalcinovanými částicemi bioskla 45S5 a byla zkoumána reologie, distribuce velikosti částic a změna v zaoblení částic. Výsledky byly porovnány s připravenou suspenzí dopovanou nekalcinovanými částicemi bioskla. Bylo dosaženo podobné distribuce velikosti částic, ale suspenze s kalcinovanými částicemi bioskla vykazovala horší reologické chování, z důvodu vyloučení pyrolytického uhlíku (kontaminace) na povrchu bioskla, který mění povrchové vlastnosti částic bioskla.  

Cílem této práce bylo připravit, charakterizovat a vzájemně porovnat zirkoničitou keramiku stabilizovanou 8 a 3 mol.% Y₂O₃. Pro přípravu vzorků byly použity komerční prášky TZ-8YSB a TZ-3YB-E od firmy Tosoh. Vzorky ve tvaru trámečků (pro prášek TZ-8YSB také tablet) byly připraveny na laboratorním hydraulickém lisu tlakem 50 MPa. Vzorky s obsahem 8 mol.% Y₂O₃ byly připraveny při teplotách výpalu v rozsahu 1100-1500 °C, u vzorků se 3 mol.% Y₂O₃ byly použity pouze 3 teploty výpalu: 1200, 1300 a 1400°C. Všechny vzorky byly charakterizovány Archimedovou metodou (objemová hmotnost, zdánlivá a skutečná pórovitost) a smrštěním. Metodou impulsní excitace byly změřeny Youngovy moduly při pokojové teplotě, byla vyjádřena jejich závislost na skutečné pórovitosti a bylo provedeno srovnání s teoretickými předpověďmi. U vzorků vypálených na teploty 1200, 1300 a 1400 °C byla stanovena pevnost v ohybu a získané hodnoty byly zpracovány pomocí Weibullovy statistiky.  

The aim of our work is to develop a mathematical model of the cold cap for different Low Activity Waste (LAW) and High-Level Waste (HLW) melter feeds that will be treated at the Waste Treatment and Immobilization Plant at the Hanford Site in Washington State, USA. By batching these feeds and using multiple techniques such as X-Ray Diffraction (XRD), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Evolved Gas Analysis (EGA), and Feed Expansion Tests (FET), we were able to describe the influence of the feed's thermal history on several conversion processes such as the gas-evolving reactions, silica dissolution, or primary foam formation and collapse. The measured data were used to develop a kinetic model for the silica dissolution that can track the conversion degree inside the cold cap and thus determine its bottom temperature. The melting rates predicted by the cold cap model corroborate the measurements in pilot-scale melters. Using our model, we also show that changes in melter operating conditions, such as melter operating temperature or the rate of bubbling, influence the mleting rate to a lesser degree than what one would expect without consideration of batch conversion kinetics.