Die Verteilung löslicher Radionuklid-relevanter Spurenelemente zwischen Salzmineralen und salinaren Lösungen

Voß, Ina

In dieser Arbeit, die im Vertikalprojekt „Endlagerung in tiefengeologischen Formationen ohne Vorkehrung der Rückholbarkeit“ der Forschungsplattform ENTRIA angefertigt wurde, wird die potenzielle Rückhaltemöglichkeit von Salzmineralen in Bezug auf Radionuklid-relevante Spurenelemente untersucht. Hierfür wurde ein generisches Referenzmodell genutzt, das Szenarien beinhaltet, in denen hochsalinare Lösungen mit radioaktiven Reststoffen reagieren und als kontaminierte Salzlösung entlang von unentdeckten Wegsamkeiten aus dem Endlagerbereich in das Deckgebirge und Richtung Biosphäre migrieren kann. Der hier gewählte Ansatz zur Abschätzung der Rückhaltefähigkeit von Salzmineralen beruht auf Fraktionierungsprozessen, die in salinaren Lösungen durch die sich ändernde Umgebungstemperatur innerhalb eines Salzstockes ablaufen. Um eine Aussage treffen zu können, ob die Konzentration von Radionuklid-relevanten Spurenelementen in hochsalinaren Lösungen durch den Einbau ins Gitter von Salzmineralen verringert wird, wurden experimentell die Verteilungskoeffizienten ausgewählter Spurenelemente, Rb, Cs, Co, Ni, Zn, Li und B für die Phasen Sylvin, Carnallit und Kainit sowie in MgSO4-Minerale bei Versuchstemperaturen von 25, 35, 55 und 83°C bestimmt. Die Elemente Cs, Co und Ni kommen als leicht lösliche Radionuklide im radioaktiven Abfall vor, Rb, Zn, Li und B sind wertvolle Tracer. Folgende Systematik der Verteilungskoeffizienten (D-Werte) wurde experimentell ermittelt: für Sylvin D > 1 für Rb und Br, D < 1 für Co, Ni, Zn, Li und B, für Carnallit D > 1 für Rb und Cs, D < 1 für Co, Ni, Zn, Li und B, für Kainit D > 1 für Co, Ni und Rb, D < 1 für Cs, Zn, Li und B, für Hexahydrit D > 1 für Ni und Co, D < 1 für Rb, Cs, Zn, Li und B, für Starkeyit D > 1 für Rb, D < 1 für Co, Ni, Rb, Cs, Zn, Li und B. Die modalen Abteile der kristallisierenden Festkörper wurden mittels thermodynamischen Modellrechnungen ermittelt. Mit den experimentell bestimmten Verteilungskoeffizienten wurde die verbleibende Konzentration der Spurenelemente während der abkühlungsbedingten Ausscheidung anhand der Rayleigh-Fraktionierung berechnet. Bei Verwendung auf Radionuklid-relevante Elemente wie Co und Cs zeigt sich, dass sich das Co (wie auch Ni) inkompatibel verhält und deren Konzentration in der residualen salinaren Lösung sich fast verdreifacht. Das Cs (wie auch da Rb) verhält sich kompatibel und wird fast vollständig durch den Einbau in Carnallit aus der Lösung entfernt.

The research platform ENTRIA (Disposal options for radioactive residues Interdisciplinary analyses and development of evaluation principles) includes the sub-project "Final disposal in deep geological formations without any arrangements for retrieval". This approach considers rock salt (beside clay and granite) as host rock formation for disposal of heat-producing long-live waste. Most rock salt formations contain Mg-rich brines derived from highly evolved sea water evaporation processes now included in the rock salt mass. If such brines get access to metal-canister corrosion will allow release of soluble nuclides to the brine. In this scenario, it cannot be excluded that contaminated brines leave the deep seated disposal area and move along geological or technical migration pathways towards the rock salt/ cap rock contact. The temperature of the brine will drop from near 80°C to 25 or 30°C. The deceasing temperature of the brine causes precipitation of magnesian chloride and sulfate phase in equilibrium with the brine. In order to understand the salt precipitation and the retention mechanism of dissolved trace elements experiments have been set up which allow formation of sylvite, carnallite, kainite, and hydrous Mg-sulphates under controlled conditions. The retention capacity of crystallizing salt minerals based occurring in magnesian brine solutions at decreasing temperature within a salt dome is best measured as the distribution coefficient D. This concept assumes incorporation of trace elements into the lattice of salt minerals. The distribution coefficients of the trace elements, Rb, Cs, Co, Ni, Zn, Li and B between sylvite, carnallite, kainite, and MgSO4 phases have been determined at experimental temperatures of 25, 35, 55 and 83 ° C. The results clearly indicate the following range of distribution coefficients (D): Sylvite D > 1 Rb and Br, D < 1 Co, Ni, Zn, Li and B, Carnallite D > 1 Rb and Cs, D < 1 Co, Ni, Zn, Li and B, Kainite D > 1 Co, Ni and Rb, D < 1 Cs, Zn, Li and B, Hexahydrite D > 1 Ni and Co, D < 1 Rb, Cs, Zn, Li and B Starkeyite D > 1 Rb, D < 1 Co, Ni, Rb, Cs, Zn, Li and B. The modal compositions of salt minerals were determined by thermodynamic modeling. Utilizing experimentally determined distribution coefficient and modal abundances of precipitated phases allows to predict concentrations of trace elements during cooling processes.

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Voß, Ina: Die Verteilung löslicher Radionuklid-relevanter Spurenelemente zwischen Salzmineralen und salinaren Lösungen. 2016.

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