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Sorption of An(III/VI)/Ln(III) onto Natural Clays

Sorption of An(III/VI)/Ln(III) onto Natural Clays
Betreuer:

Prof. Dr. D. Bosbach

Bearbeiter:

Dr. Eva Hartmann

Motivation

 

 

Sorption drei- und sechswertiger Actiniden an natürlichen Tongesteinen

Hintergrund

In Abhängigkeit von den natürlichen geologischen Gegebenheiten werden weltweit (z. B. in Belgien, der Schweiz, Frankreich, Deutschland als auch Spanien, Italien, Großbritannien, Japan, Ungarn und den USA) tonige Gesteinsformationen als potenzielle Wirtsgesteine für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle betrachtet und untersucht. Tonige Gesteine besitzen im Allgemeinen eine Anzahl günstiger Eigenschaften, die sie sowohl als Endlagermedium als auch zur technischen Anwendung als geotechnische Barriere im Endlager geeignet erscheinen lassen. Zu diesen günstigen Eigenschaften zählen

•     die geringe bis sehr geringe Permeabilität bzw. entsprechende geringe Durchlässigkeit für Wasser und gelöste Stoffe,

•     die Neigung zur plastischen Deformation sowie ein hohes Selbstheilungs-/-abdichtungsvermögen von Rissen,

•     die hohe Rückhaltekapazität für Radionuklide,

•     die chemische Pufferwirkung und

•     die meist weiträumige Homogenität von tonigen Gesteinsformationen aufgrund ihrer Ablagerungsbedingungen.

Bei der Bewertung und Prognostizierung der Langzeitsicherheit eines Endlagers in tiefen geologischen Formationen kommt der Mobilisierung und dem damit möglicherweise verbunden Transport von Radionukliden aus dem Endlager über die zwischengeschalteten Barrieren (z.B. Abfallbehälter, Verfüllmaterial der untertägigen Hohlräume, Wirtsgestein, Deckgebirge) hindurch bis in die Biosphäre eine ausschlaggebende Rolle zu. In diesem Zusammenhang ist es daher von größter Bedeutung, die unterschiedlichen Rückhaltemechanismen für die verschiedenen im Endlager vorkommenden Radionuklide, insbesondere der langlebigen Actiniden, zu untersuchen und zu klären. Diese können durch Sorption an Mineraloberflächen zurückgehalten werden, wobei Tonminerale aufgrund ihrer großen reaktiven Oberfläche und ihrer daraus resultierenden sehr hohen Sorptionskapazität verglichen mit anderen Mineralphasen besonders günstige Eigenschaften aufweisen.

Aufgrund der langen Zeiträume (> 100.000 Jahre), die für die Fernhaltung der radiotoxischen Substanzen von der Biosphäre für den Langzeitsicherheitsnachweis gefordert werden, ist es nicht möglich, dass Vorhersagen zur Radionuklidfreisetzung nur durch zeitliche Extrapolation makroskopischer Beobachtungen getroffen werden. Die Wechselwirkungen von Radionukliden mit endlagerrelevanten Mineralphasen müssen somit zuerst auf molekularer Ebene verstanden werden, um anschließend belastbare Aussagen über die verschiedenen geochemischen Reaktionen und Prozesse natürlicher Systeme treffen zu können.

 

Ziel der Arbeiten

Im Rahmen der Doktorarbeit wird an zwei Fragestellungen zur Sorption von Radionukliden an Tonen gearbeitet:

  • Sorption von Ln(III)/An(III) und U(VI) an natürlichen Tongesteinen
  • Spektroskopische Charakterisierung und Quantifizierung von An(III)/Ton outer-sphere Komplexen

Das Ziel der ersten Fragestellung ist es, die für die Sorption von bestimmten Radionukliden relevanten Mineralphasen in natürlichen Tonen mittels nass-chemischer Verfahren sowie spektroskopischer Methoden, z.B. der zeitaufgelösten Laserfluoreszenzspektroskopie TRLFS, sowie die damit verbundenen Sorptionsprozesse zu identifizieren. Natürliche Tone stellen meist Gemische aus vielen verschiedenen Mineralen mit dominierender Tonfraktion dar. Bisher wurden in der Literatur sowohl nass-chemische Sorptionsexperimente als auch spektroskopische Untersuchungen überwiegend in definierten Lösungen unter Variation von pH-Wert, Ionenstärke und Metallkonzentration an reinen Mineralphasen, wie z. B. Quarz, Calcit, Feldspäten, Fe- und Al-hydroxiden usw., oder aufgereinigten Tonen, wie dem Montmorillonit oder Kaolinit, beschrieben. Mit Hilfe der Arbeiten im Rahmen der Doktorarbeit soll geklärt werden, ob die in der Literatur vorhandenen Sorptionsdaten auch auf natürliche Tone anwendbar sind. Für die Experimente wurden die in der Schweiz und Frankreich als Endlagermedium untersuchten Formationen Opalinuston (OPA) und „Bure“-Ton des Callovo-Oxfordian (COx) verwendet. Modellvoraussagen ermöglichen im Vergleich mit den Ergebnissen der Batch-Experimente und spektroskopischen Untersuchungen an den verschiedenen tonigen Gemischen Aussagen über die in natürlichen Tonen für die Radionuklidsorption verantwortlichen Mineralphasen.

Als weiteres Ziel dieser Promotionsarbeiten sollen An(III) outer-sphere Komplexe an Tonmineralen mit unterschiedlichen Eisengehalten mittels TRLFS nachgewiesen und quantifiziert werden. Dieser Sachverhalt wurde in der verfügbaren Literatur bislang nicht beschrieben.

Ergebnisse

Bisher wurden Batch-Versuche mit den natürlichen Tonen Opalinuston, Bure-Ton und aufgereinigtem Na-reicher Montmorillonit (SWy-2) durchgeführt, um die Sorption von dreiwertigen Lanthaniden (Eu(III), als chemisches Homolog zu An(III)) und sechswertigen Actiniden (U(VI)) in Abhängigkeit des pH-Wertes zu untersuchen. An Gemischen aus Montmorillonit und Huminsäure und/oder Calcit wurde der Einfluss bestimmter Komplexbildner auf die Eu(III)- und U(VI)-Sorption ermittelt. Mit Hilfe der TRLFS wurden verschiedene Oberflächenspezies von Cm(III) an Montmorillonit unter Zugabe von 20 % Calcit im pH-Bereich 5 bis 11 identifiziert.

Der Vergleich der Untersuchungsergebnisse mit den Modellvoraussagen zur Oberflächenspeziation der Nuklide weist auf eine dominierende Sorption von drei- und sechswertigen Actiniden an Tonminerale in natürlichen heterogen zusammengesetzten tonigen Sedimenten hin, während die Sorption an andere Mineralphasen scheinbar kaum eine Bedeutung hat.

Die bisherigen Ergebnisse sind im Poster zur Migration-Konferenz in München 2007 (26.-31. August) dargestellt.