Method development for the quantification of radionuclide retention in repository-relevant construction and backfill materials

Abstract

The final disposal of high-level radioactive waste (HLW) is one of the most difficult challenges of our time. In Germany, clay formations in northern Germany (model NORD) are considered as promising repository sites. To contribute to the safety assessment, this study investigated the retention of repository-relevant elements in/on important construction and backfill materials, in particular the cement (alteration) phase calcium silicate hydrate (C-S-H). Therefore, a study on the retention kinetics of Cs(I), Eu(III), Sm(III) and U(VI) in C-S-H phases was conducted. However, the overarching goal was to develop new analytical methods for quantifying important retention parameters. To this end, novel miniaturised column experiments (MCE) were developed. Using modern high-performance liquid chromatography (HPLC), these MCE enabled the successful performance of extremely resource- and time-efficient dynamic sorption and leaching experiments (remobilisation studies) under highly controllable conditions. This method was used, for example, to investigate the Cs(I) retention behaviour and the U(VI) remobilisation from C-S-H phases. In addition, an LA-ICP-MS (Laser Ablation – Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry) method was established for quantifying element ratios and trace elements in C-S-H phases. In summary, the work in this dissertation makes an important contribution to final repository research and to the safety case for a German final repository.

Die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle (HLW) ist eine der schwierigsten Herausforderungen unserer Zeit. Für Deutschland gelten dabei norddeutsche Tongesteinsformationen (Modell NORD) als vielversprechende Endlagerungsstätte. Um zum Sicherheitsnachweis beizutragen, wurde in dieser Arbeit der Rückhalt endlagerrelevanter Elemente an wichtigen Bau- und Verfüllmaterialien, insbesondere der Zement(alterations-)phase Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H), untersucht. Hierzu wurde auch eine Studie zur Retentionskinetik von Cs(I), Eu(III), Sm(III) und U(VI) an C-S-H Phasen durchgeführt. Das übergeordnete Ziel war aber die Entwicklung neuer analytischer Methoden zur Quantifizierung wichtiger Retentionsparameter. Hierzu wurden neuartige miniaturisierte Säulenexperimente (MCE) entwickelt. Diese ermöglichten unter Verwendung moderner Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) die Durchführung Ressourcen- und Zeit-sparender dynamischer Sorptions- und Leachingexperimente (Remobilisierungsstudien) unter kontrollierbaren Bedingungen. Mit dieser Methode wurde beispielsweise das Cs(I)-Retentionsverhaltens an aber auch die U(VI)-Remobilisierung aus C-S-H Phasen untersucht. Zudem wurde eine LA-ICP-MS (Laserablation – Induktiv gekoppeltes Plasma – Massenspektrometrie) Methode zur Quantifizierung von Spurenelementen und Elementverhältnissen in C-S-H Phasen etabliert. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Endlagerforschung und zum Sicherheitsnachweis für ein deutsches Endlager.