Different lead sources in an abandoned uranium mine (Urgeirica - Central Portugal) and its environment impact - isotopic evidence

Different lead sources were identified in a large uranium tailings deposit (5Mton) in the Central Region of Portugal using lead isotopic ratios obtained by ICP-QMS. These ratios helped to clarify the different sources of Pb within the tailings deposit and the impact of the tailings on the surroundings. Ten depth profiles were used for isotopic characterization of the tailings deposit; the lead background signature was evaluated in seven regional rocks (granites) and was defined as being 28 +/- 1 mg kg(-1) for Pb bulk concentration and with isotopic ratios of 1.264(2) for Pb-206/Pb-207 and 1.962(7) for Pb-208/Pb-206. In order to understand Pb isotope distribution within the tailings deposit, simple mixing/mass balance models were used to fit experimental data, involving: (1) the background component; (2) uranium ores (pitchblende) characterized by the ratios Pb-206/Pb-207 of 1.914(3) and Pb-208/Pb-206 of 1.235(2); and (3) an unknown Pb source (named 'Fonte 5') characterized by the ratios Pb-206/Pb-207 of 3.079(7) and Pb-208/Pb-206 of 0.715(1). This unknown source showed high radiogenic ratios found in the water of some tailings depth profiles located in a very specific position in the dump. In terms of isotopic characterization, 69% of the deposit material resulted from the background source, 25% from uranium minerals and only 6% from other uranium mines in the region. Finally, the environment impact revealed that the pollution was focused only in the beginning of the stream and not in the surroundings, nor in the groundwater system. The lead in the water was found only in colloidal form with a clear pitchblende signature. Those data revealed possible remobilization phenomena along the bedside and margins of the watercourse.

From discrete anions to extended solids: new uranium thiophosphates

Die wichtigste Klasse zeotyper Verbindungen sind die Thio- und Selenophosphate der Übergangsmetalle. Ziel dieser Dissertation war die Darstellung und Charakterisierung neuer Uranthiophosphate. Die dargestellten Verbindungen enthalten vierwertige Urankationen, die von acht Schwefelatomen koordiniert sind. Da die enthaltenen Thiophosphatanionen in den meisten Fällen als zweizähnige Liganden fungieren, entstehen dreidimensionale Netzwerke mit pseudotetraedrisch koordinierten Metallzentren. In der Verbindung U(P2S6)2 durchdringen sich drei identische diamantartige Netzwerke, wodurch optimale Raumerfüllung erreicht wird. Die Einführung von Alkalimetallkationen in das System führt zu einer Vielzahl neuer Verbindungen, deren Eigenschaften durch die Stöchiometrie der Edukte und durch die Kationenradien bestimmt werden. Beispielsweise enthält die Kristallstruktur von Na2U(PS4)2 zweidimensionale anionische [U(PS4)2]n-Schichten, während die analoge Verbindung CsLiU(PS4)2 eine poröse dreidimensionale Netzwerkstruktur besitzt. Der Vergleich der untersuchten quaternären und quinären Verbindungen zeigt, dass eine Korrelation zwischen dem Kationenradius und dem Durchmesser der Poren besteht. Dies lässt auf eine Templatfunktion der Alkalimetallkationen beim Aufbau der anionischen Teilstruktur schließen. Die neuen Verbindungen wurden aus reaktiven Polysulfidschmelzflüssen oder durch Auflösen amorpher Vorläufer in Alkalimetallchloridschmelzen synthetisiert. Die Kristallstrukturen wurden durch Einkristall-Röntgenmethoden bestimmt. Ein Vergleich der magnetischen Eigenschaften der Verbindungen beweist, dass in allen untersuchten Fällen U(IV) vorliegt. Die Substanzen zeigen paramagnetisches Verhalten, in UP2S7 und CsLiU(PS4)2 sind außerdem antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Uranatomen nachweisbar.

New regularization method for EXAFS analysis: Application to uranium and plutonium sorption onto kaolinite

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy) ist eine wichtige Methode zur Speziation von Schwermetallen in einem weiten Bereich von umweltrelevanten Systemen. Um Strukturparameter wie Koordinationszahl, Atomabstand und Debye-Waller Faktoren für die nächsten Nachbarn eines absorbierenden Atoms zu bestimmen, ist es für experimentelle EXAFS-Spektren üblich, unter Verwendung von Modellstrukturen einen „Least-Squares-Fit“ durchzuführen. Oft können verschiedene Modellstrukturen mit völlig unterschiedlicher chemischer Bedeutung die experimentellen EXAFS-Daten gleich gut beschreiben. Als gute Alternative zum konventionellen Kurven-Fit bietet sich das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren an. Ergänzend zur Tikhonov-Standardvariationsmethode enthält der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus zwei weitere Schritte, nämlich die Anwendung des „Method of Separating Functionals“ und ein Iterationsverfahren mit Filtration im realen Raum. Um das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren zu testen und zu bestätigen wurden sowohl simulierte als auch experimentell gemessene EXAFS-Spektren einer kristallinen U(VI)-Verbindung mit bekannter Struktur, nämlich Soddyit (UO2)2SiO4 x 2H2O, untersucht. Die Leistungsfähigkeit dieser neuen Methode zur Auswertung von EXAFS-Spektren wird durch ihre Anwendung auf die Analyse von Proben mit unbekannter Struktur gezeigt, wie sie bei der Sorption von U(VI) bzw. von Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit auftreten. Ziel der Dissertation war es, die immer noch nicht voll ausgeschöpften Möglichkeiten des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Auswertung von EXAFS-Spektren aufzuzeigen. Die Ergebnisse lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Die erste beinhaltet die Entwicklung des Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Analyse von EXAFS-Spektren von Mehrkomponentensystemen, insbesondere die Wahl bestimmter Regularisationsparameter und den Einfluss von Mehrfachstreuung, experimentell bedingtem Rauschen, etc. auf die Strukturparameter. Der zweite Teil beinhaltet die Speziation von sorbiertem U(VI) und Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit, basierend auf experimentellen EXAFS-Spektren, die mit Hilfe des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahren ausgewertet und mit Hilfe konventioneller EXAFS-Analyse durch „Least-Squares-Fit“ bestätigt wurden.

Identification and dissolution behavior of the secondary uranium minerals in the corrosion products of Depleted Uranium (DU) ammunition formed in soils

In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Techniken eingesetzt um drei Proben (4, 7, and 8) die aus denrnKorrosionsprodukten von aus dem Kosovo Krieg stammenden Munitionskugeln, bestehend aus abgereichertem Uranrn(Depleted Uranium - DU), zu untersuchen. Als erstes Verfahren wurde die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Hierbeirnzeigte sichin den Proben, charakterisiert durch einen Doppelpeak, die Anwesenheit von Schoepitrn(UO2)8O2(OH)12(H2O)12. Der erste und zweite Peakzeigte sich im Spektralbereich von 840,3-842,5 cm-1rnbeziehungsweise 853,6-855,8 cm-1. Diese Werte stimmen mit den Literaturwerten für Raman-Peaks für Schoepitrnüberein. Des Weiteren wurde bei dieser Untersuchungsmethode Becquerelite Ca(UO2)6O4(OH)6(H2O)8 mit einemrnPeak im Bereich zwischen 829 to 836 cm-1 gefunden. Aufgrund des Fehlens des Becquerelitespektrums in derrnSpektralbibliothek wurde eine in der Natur vorkommende Variante analysiert und deren Peak bei 829 cm-1 bestimmt,rnwas mit den Ergebnissen in den Proben korrespondiert. Mittels Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD) zeigtenrnsich in allen Proben ähnliche Spektren. Das lässt darauf schließen, dass das pulverisierte Material in allen Probenrndas gleiche ist. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung mit Schoepit und/oder meta-rnSchoepit(UO2)8O2(OH)12(H2O)10, sowie Becquerelite. Weiterhin war weder Autunit, Sabugalit noch Uranylphosphatrnanwesend, was die Ergebnisse einer anderen Studie, durchgeführt an denselben Proben, wiederlegt. DiernAnwesenheit von P, C oder Ca im Probenmaterial konnte ausgeschlossen werden. Im Falle von Calciumkann diesrnmit der Anwesenheit von Uran erklärt werden, welches aufgrund seines Atomradius bevorzugt in Becquerelite (1:6)rneingebaut wird. Die beiden Hauptpeaks für Uran lagen im Falle von U 4f 7/2 bei 382.0 eV und im Falle von U 4f 5/2rnbei 392 eV. Diese Werte mit den Literaturwerten für Schoepit und meta-Schoepitüberein. Die Ergebnissernelektronenmikroskopischen Untersuchung zeigen U, O, Ca, Ti als dominante Komponenten in allen Messungen.rnElemente wie Si, Al, Fe, S, Na, und C wurden ebenfalls detektiert; allerdings kann nicht ausgeschlossen werden,rndass diese Elemente aus dem Boden in der unmittelbaren Umgebung der Munitionsgeschosse stammen. Gold wurdernebenfalls gemessen, was aber auf die Goldarmierung in den Probenaufbereitungsbehältern zurückgeführt werdenrnkann. Die Elektronenmikroskopie zeigte außerdem einige Stellen in denen elementares Uran und Bodenmineralernsowie sekundäre Uranminerale auftraten. Die Elementübersicht zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen U andrnCa und gleichzeitig keine Korrelation zwischen U und Si, oder Mg. Auf der anderen Seite zeigte sich aber einrnZusammenhang zwischen Si und Al da beide Konstituenten von Bodenmineralen darstellen. Eine mit Hilfe derrnElektronenstrahlmikroanalyse durchgeführte quantitative Analyse zeigte den Massenanteil von Uran bei ca. 78 - 80%,rnwas mit den 78,2% and 79,47% für Becquerelite beziehungsweise Schoepit aufgrund ihrer Summenformelrnkorrespondiert. Zusätzlich zeigt sich für Calcium ein Massenanteil von 2% was mit dem Wert in Becquerelite (2.19%)rnrecht gut übereinstimmt. Der Massenanteil von Ti lag in einigen Fällen bei 0,77%, was auf eine noch nicht korrodierternDU-Legierung zurückzuführen ist. Ein Lösungsexperiment wurde weiterhin durchgeführt, wobei eine 0,01 M NaClO4-rnLösung zum Einsatz kam in der die verbliebene Probensubstanz der Korrosionsprodukte gelöst wurde;rnNatriumperchlorate wurde hierbei genutzt um die Ionenstärke bei 0,01 zu halten. Um Verunreinigungen durchrnatmosphärisches CO2 zu vermeiden wurden die im Versuch für die drei Hauptproben genutzten 15 Probenbehälterrnmit Stickstoffgas gespült. Eine Modelkalkulation für den beschriebenen Versuchsaufbau wurde mit Visual MINTEQrnv.3.0 für die mittels vorgenannten Analysemethoden beschriebenen Mineralphasen im pH-Bereich von 6 – 10 imrnFalle von Becquerelite, und Schoepit berechnet. Die modellierten Lösungskurven wurden unter An- und Abwesenheitrnvon atmosphärischem CO2 kalkuliert. Nach dem Ende des Lösungsexperiments (Dauer ca. 6 Monate) zeigten diernKonzentrationen des gelösten Urans, gemessen mittels ICP-OES, gute Übereinstimmung mit den modelliertenrnSchoepit und Becquerelite Kurven. Auf Grund des ähnlichen Löslichkeitverhaltens war es nicht möglich zwichen denrnbeiden Mineralen zu unterscheiden. Schoepit kontrolliert im sauren Bereich die Löslichkeit des Urans, währendrnbecquerelit im basichen am wenigsten gelöst wird. Des Weiteren bleibt festzuhalten, dass ein Anteil an CO2 in diernverschlossenen Probenbehälter eingedrungen ist, was sich mit der Vorhersage der Modeldaten deckt. Die Löslichkeitrnvon Uran in der Lösung als Funktion des pH-Wertes zeigte die niedrigsten Konzentrationen im Falle einer Zunahmerndes pH-Wertes von 5 auf 7 (ungefähr 5,1 x 10-6 mol/l) und einer Zunahme des pH-Wertes auf 8 (ungefähr 1,5 x 10-6rnmol/l bei). Oberhalb dieses Bereichs resultiert jeder weitere Anstieg des pH-Wertes in einer Zunahme gelösten Uransrnin der Lösung. Der ph-Wert der Lösung wie auch deren pCO2-Wert kontrollieren hier die Menge des gelösten Urans.rnAuf der anderen Seite zeigten im Falle von Becquerelite die Ca-Konzentrationen höhere Werte als erwartet, wobeirnwahrscheinlich auf eine Vermischung der Proben mit Bodensubstanz zurückgeführt werden kann. Abschließendrnwurde, unter Berücksichtigung der oben genannten Ergebnisse, eine Fallstudie aus Basrah (Irak) diskutiert, wo inrnzwei militärischen Konflikten Uranmunition in zwei Regionen unter verschiedenen Umweltbedingungen eingesetztrnwurden.

(234)U/(238)U activity ratio disequilibrium technique for studying uranium mobility in the Opalinus Clay at Mont Terri, Switzerland

Mobility of naturally occurring U-238 and U-234 radionuclides was studied in a low permeability, reducing claystone formation (Opalinus Clay) near its contact with an overlying oxidising aquifer (Dogger Limestones) at Mont Terri, Switzerland. Our data point to a limited redistribution of U in some of the studied samples. Observed centimetre-scale U mobility is explained by slow diffusive transport of U-234 in the pore waters of the Opalinus Clay driven by spatially variable in situ supply (by alpha-recoil) of U-234 from the rock matrix. Metre-scale mobility is interpreted as a result of infiltration of meteoric water into the overlying aquifer which developed gradients of U concentration across the two rock formations. This triggered a slow in-diffusion of U with (U-234/U-238) > 1 into the Opalinus Clay as attested by a clear-cut pattern of decreasing bulk rock (U-234/U-238) inwards the Opalinus Clay, away from the Dogger Limestones.

Uranium mining industry views on ICRP statement on radon

In 2009, the International Commission on Radiological Protection issued a statement on radon which stated that the dose conversion factor for radon progeny would likely double, and the calculation of risk from radon should move to a dosimetric approach, rather than the longstanding epidemiological approach. Through the World Nuclear Association, whose members represent over 90% of the world's uranium production, industry has been examining this issue with a goal of offering expertise and knowledge to assist with the practical implementation of these evolutionary changes to evaluating the risk from radon progeny. Industry supports the continuing use of the most current epidemiological data as a basis for risk calculation, but believes that further examination of these results is needed to better understand the level of conservatism in the potential epidemiological-based risk models. With regard to adoption of the dosimetric approach, industry believes that further work is needed before this is a practical option. In particular, this work should include a clear demonstration of the validation of the dosimetric model which includes how smoking is handled, the establishment of a practical measurement protocol, and the collection of relevant data for modern workplaces. Industry is actively working to address the latter two items.

Hydrogeochemical controls on uranium in aquifers of the Jacobsville Sandstone

The occurrence of elevated uranium (U) in sandstone aquifers was investigated in the Upper Peninsula of Michigan, focusing on aquifers of the Jacobsville Sandstone. The hydrogeochemical controls on groundwater U concentrations were characterized using a combination of water sampling and spectral gamma-ray logging of sandstone cliffs and residential water wells. 235U/238U isotope ratios were consistent with naturally occurring U. Approximately 25% of the 270 wells tested had U concentrations above the U.S. Environmental Protection Agency Maximum Contaminant Level (MCL) of 30 μg/L, with elevated U generally occurring in localized clusters. Water wells were logged to determine whether groundwater U anomalies could be explained by the heterogeneous distribution of U in the sandstone. Not all wells with relative U enrichment in the sandstone produced water with U above the MCL, indicating that the effect of U enrichment in the sandstone may be modified by other hydrogeochemical factors. Well water had high redox, indicating U is in its highly soluble (VI) valence. Equilibrium modeling indicated that aqueous U is complexed with carbonates. In general, wells with elevated U concentrations had low 235U/238U activity ratios. However, in some areas U concentrations and 235U/238U activity ratios were simultaneously high, possibly indicating differences in rock-water interactions. Limited groundwater age dating suggested that residence time may also help explain variations in well water U concentrations. Low levels of U enrichment (4 to 30 ppm) in the Jacobsville sandstone may make wells in its oxidized aquifers at risk for U concentrations above the MCL. On average, U concentrations were highest in heavy mineral and clay layers and rip up conglomerates. Uranium concentrations above 4 ppm also occurred in siltstones, sandstones and conglomerates. Uranium enrichment was likely controlled by deposition processes, sorption to clays, and groundwater flow, which was controlled by permeability variations in the sandstone. Low levels of U enrichment were found at deltaic, lacustrine and alluvial fan deposits and were not isolated to specific depositional environments.

Redox front geochemistry and weathering: theory with application to the Osamu Utsumi uranium mine, Poços de Caldas, Brazil

Numerical calculations describing weathering of the Poços de Caldas alkaline complex (Minas Gerais, Brazil) by infiltrating groundwater are carried out for time spans up to two million years in the absence of pyrite, and up to 500,000 years with pyrite present. Deposition of uranium resulting from infiltration of oxygenated, uranium bearing groundwater through the hydrothermally altered phonolitic host rock at the Osamu Utsumi uranium mine is also included in the latter calculation. The calculations are based on the quasi-stationary state approximation to mass conservation equations for pure advective transport. This approximation enables the prediction of solute concentrations, mineral abundances and porosity as functions of time and distance over geologic time spans. Mineral reactions are described by kinetic rate laws for both precipitation and dissolution. Homogeneous equilibrium is assumed to be maintained within the aqueous phase. No other constraints are imposed on the calculations other than the initial composition of the unaltered host rock and the composition of the inlet fluid, taken as rainwater modified by percolation through a soil zone. The results are in qualitative agreement with field observations at the Osamu Utsumi uranium mine. They predict a lateritic cover followed by a highly porous saprolitic zone, a zone of oxidized rock with pyrite replaced by iron-hydroxide, a sharp redox front at which uranium is deposited, and the reduced unweathered host rock. Uranium is deposited in a narrow zone located on the reduced side of the redox front in association with pyrite, in agreement with field observations. The calculations predict the formation of a broad dissolution front of primary kaolinite that penetrates deep into the host rock accompanied by the precipitation of secondary illite. Secondary kaolinite occurs in a saprolitic zone near the surface and in the vicinity of the redox front. Gibbsite forms a bi-modal distribution consisting of a maximum near the surface followed by a thin tongue extending downward into the weathered profile in agreement with field observations. The results are found to be insensitive to the kinetic rate constants used to describe mineral reactions.

Measurement of isotopic uranium in water for compliance monitoring by liquid scintillation counting with alpha/beta discrimination

A simple and inexpensive method is described for analysis of uranium (U) activity and mass in water by liquid scintillation counting using $\alpha$/$\beta$ discrimination. This method appears to offer a solution to the need for an inexpensive protocol for monitoring U activity and mass simultaneously and an alternative to the potential inaccuracy involved when depending on the mass-to-activity conversion factor or activity screen.^ U is extracted virtually quantitatively into 20 ml extractive scintillator from a 1-$\ell$ aliquot of water acidified to less than pH 2. After phase separation, the sample is counted for a 20-minute screening count with a minimum detection level of 0.27 pCi $\ell\sp{-1}$. $\alpha$-particle emissions from the extracted U are counted with close to 100% efficiency with a Beckman LS6000 LL liquid scintillation counter equipped with pulse-shape discrimination electronics. Samples with activities higher than 10 pCi $\ell\sp-1$ are recounted for 500-1000 minutes for isotopic analysis. Isotopic analysis uses events that are automatically stored in spectral files and transferred to a computer during assay. The data can be transferred to a commercially available spreadsheet and retrieved for examination or data manipulation. Values for three readily observable spectral features can be rapidly identified by data examination and substituted into a simple formula to obtain $\sp{234}$U/$\sp{238}$U ratio for most samples. U mass is calculated by substituting the isotopic ratio value into a simple equation.^ The utility of this method for the proposed compliance monitoring of U in public drinking water supplies was field tested with a survey of drinking water from Texas supplies that had previously been known to contain elevated levels of gross $\alpha$ activity. U concentrations in 32 samples from 27 drinking water supplies ranged from 0.26 to 65.5 pCi $\ell\sp{-1}$, with seven samples exceeding the proposed Maximum Contaminant Level of 20 $\mu$g $\ell\sp{-1}$. Four exceeded the proposed activity screening level of 30 pCi $\ell\sp{-1}$. Isotopic ratios ranged from 0.87 to 41.8, while one sample contained $\sp{234}$U activity of 34.6 pCi $\ell\sp{-1}$ in the complete absence of its parent, $\sp{238}$U. U mass in the samples with elevated activity ranged from 0.0 to 103 $\mu$g $\ell\sp{-1}$. A limited test of screening surface and groundwaters for contamination by U from waste sites and natural processes was also successful. ^