Entwicklung von Methoden zur Untersuchung der Metallmobilität in Ton und salinaren Systemen

Abstract

Hochradioaktive wärmegenerierende Abfälle (HAW) aus Kernenergie, Forschung und Industrie sollen in tiefen geologischen Formationen innerhalb Deutschlands an einem bis dato unbestimmten Standort bis zum Abklingen der Radioaktivität auf ein natürliches Niveau sicher verwahrt werden. Innerhalb des BMWi-geförderten Verbundprojekts bestand das Ziel in der Entwicklung neuer sowie der Verbesserung vorhandener analytischer Methoden zur Charakterisierung der Rückhaltung von endlagerrelevanten Metallen in Tongestein, einem vielversprechenden Kandidaten für das Endlagerwirtsgestein. An zentraler Stelle standen, neben anderen Methoden, die Miniaturisierten Säulenexperimente (MSE), deren Aufbau von der Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) abgeleitet ist, mit Europium als chemischem Homolog für dreiwertige Actinoiden und Uran als Bestandteil des HAW. Der für MSE notwendige Zeitaufwand konnte von Stunden bzw. Tagen auf einige Minuten pro Experiment beschleunigt werden. Auf dieser Grundlage wurde die online- Kopplung der MSE mit ICP-MS-Detektion realisiert (Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma). Hiermit wurden dynamische Sorptions-Desorptionsexperimente an Tonmineralien wie Kaolinit und Tongemischen (natürlicher Opalinuston, OPA) sowie mit Quarzsand verdünntem OPA als Säulenfüllung durchgeführt. In der letzten Ausbaustufe wurde die Kopplung erfolgreich für die realitätsnahe Nutzung mit hochsalinaren Eluenten wie norddeutschen Tonporenwässern modifiziert und angewendet.

High-level radioactive waste (HLW) originating from nuclear power generation, research and industry are to be safely confined in deep geological formations, whose location is yet to be chosen within Germany, until their radioactivity has dropped to a natural level. In the framework of a joint research project funded by BMWi it was the goal both to develop new and to improve existing analytical methods to examine retention of metals relevant for final disposal in claystone representing a promising contender for the host rock of a HLW site. Apart from exploring other methods miniaturised clay column experiments (MCCE) were the main subject. Their setup is derived from classical high performance liquid chromatography (HPLC). The timeframe necessary to conduct one single MCCE run has been accelerated from hours or days, respectively, to a few minutes only. On this basis, coupling of MCCE to ICP-MS detection (inductively coupled plasma mass spectrometry) was realised. This online hyphenation allows for monitoring sorption and desorption experiments on clay minerals (Kaolinite), natural clay (Opalinus clay), and mixtures thereof with quartz sand dynamically. Finally, the interface has been successfully modified to handle high salinity. Summarising, with the optimised method the retention of pollutants (such as europium as homologue for trivalent actinides and uranium as constituent of HLW) in real clay samples can be analysed in the presence of high salinity conveniently.