Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.

A comparison of alpha and gamma spectrometry for environmental natural radioactivity surveys.

An alpha-spectrometry, using automated borate fusion and sequential extraction and exchange chromatography, was used to determine the uranium and thorium based on environmental radioactivity of 20 soil samples. The same set of the samples was analysed using gamma-spectrometry with an HPGe detector. The two data sets were checked for coherence using Z-score and chi2 statistical tests. We show that gamma-spectrometry is a valid alternative to time-consuming alpha-spectrometry for the determination of natural uranium and thorium activity in soil (activity range: 12.5-58.2 Bq/kg). The measured activities were compared with the theoretical activities to ensure secular equilibrium in the 238U and 232Th series. For 226Ra, a special study was made on deconvolution of the 186 keV multiplet with the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, the combined use of Z-score and chi2-tests was found to be a powerful tool for comparing the results obtained with two different methods.

Simultaneous determination of gross alpha, gross beta and Ra-226 in natural water by liquid scintillation counting.

The determination of gross alpha, gross beta and 226Ra activity in natural waters is useful in a wide range of environmental studies. Furthermore, gross alpha and gross beta parameters are included in international legislation on the quality of drinking water [Council Directive 98/83/EC].1 In this work, a low-background liquid scintillation counter (Wallac, Quantulus 1220) was used to simultaneously determine gross alpha, gross beta and 226Ra activity in natural water samples. Sample preparation involved evaporation to remove 222Rn and its short-lived decay daughters. The evaporation process concentrated the sample ten-fold. Afterwards, a sample aliquot of 8 mL was mixed with 12 mL of Ultima Gold AB scintillation cocktail in low-diffusion vials. In this study, a theoretical mathematical model based on secular equilibrium conditions between 226Ra and its short-lived decay daughters is presented. The proposed model makes it possible to determine 226Ra activity from two measurements. These measurements also allow determining gross alpha and gross beta simultaneously. To validate the proposed model, spiked samples with different activity levels for each parameter were analysed. Additionally, to evaluate the model's applicability in natural water, eight natural water samples from different parts of Spain were analysed. The eight natural water samples were also characterised by alpha spectrometry for the naturally occurring isotopes of uranium (234U, 235U and 238U), radium (224Ra and 226Ra), 210Po and 232Th. The results for gross alpha and 226Ra activity were compared with alpha spectrometry characterization, and an acceptable concordance was obtained.

Competitiveness Comparison of the Electricity Production Alternatives

The competitiveness comparison is carried out for merely electricity producing alternatives. In Finland, further construction of CHP (combined heat and power) power plants will continue and cover part of the future power supply deficit, but also new condensing power plant capacity will be needed. The following types of power plants are studied: - nuclear power plant, - coal-fired condensing power plant - combined cycle gas turbine plant, - peat-fired condensing power plant. - wood-fired condensing power plant - wind power plant The calculations have been made using the annuity method with a real interest rate of 5 % perannum and with a fixed price level as of March 2003. With the annual full load utilization time of 8000 hours the nuclear electricity would cost 23,7 ¤/MWh, the gas based electricity 32,3 ¤/MWh and coal based electricity 28,1 ¤/MWh. If the influence of emission trading is taken into account,the advantage of the nuclear power will still be improved. Inorder to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive tothe changes of the uranium price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk.

Simultaneous determination of gross alpha, gross beta and Ra-226 in natural water by liquid scintillation counting.

The determination of gross alpha, gross beta and 226Ra activity in natural waters is useful in a wide range of environmental studies. Furthermore, gross alpha and gross beta parameters are included in international legislation on the quality of drinking water [Council Directive 98/83/EC].1 In this work, a low-background liquid scintillation counter (Wallac, Quantulus 1220) was used to simultaneously determine gross alpha, gross beta and 226Ra activity in natural water samples. Sample preparation involved evaporation to remove 222Rn and its short-lived decay daughters. The evaporation process concentrated the sample ten-fold. Afterwards, a sample aliquot of 8 mL was mixed with 12 mL of Ultima Gold AB scintillation cocktail in low-diffusion vials. In this study, a theoretical mathematical model based on secular equilibrium conditions between 226Ra and its short-lived decay daughters is presented. The proposed model makes it possible to determine 226Ra activity from two measurements. These measurements also allow determining gross alpha and gross beta simultaneously. To validate the proposed model, spiked samples with different activity levels for each parameter were analysed. Additionally, to evaluate the model's applicability in natural water, eight natural water samples from different parts of Spain were analysed. The eight natural water samples were also characterised by alpha spectrometry for the naturally occurring isotopes of uranium (234U, 235U and 238U), radium (224Ra and 226Ra), 210Po and 232Th. The results for gross alpha and 226Ra activity were compared with alpha spectrometry characterization, and an acceptable concordance was obtained.

Accessory phases as a tool to investigate magmatic underplating in polymetamorphic metasediments : an example from a fossil lower crust : Ivrea Verbano zne, NW Italy

The Ivrea and the Strona-Ceneri zones, NW italy and S Switzerland, offer the possibility to study the continental crust of the Southern Alps. Because of its high metamorphic degree and the abundant Permo- Carboniferous mafic intrusions, the Ivrea Zone is classically interpreted an exposed section trough the Permian lower crust. The present work is focused here on metasedimentary slices (septa) intercalated within Permian gabbro (mafic complex). In particular I studied the evolution of accessory phases such as rutile and zircon and the chemistry of the metasediments. The septa build an irregular and discontinuous band that cut obliquely the mafic complex from its deepest part (N) to its roof (S). The chemistry of the metasediments evolves along the band and the chemical evolution can be compared with that observed in the country-rock surrounding the mafic intrusion to the NE and overprinted by a main regional metamorphic event. This suggests that the degree of chemical depletion of the septa was mainly established during the same regional metamorphic event. Moreover it suggests that incorporation of the septa within the gabbro did not modify their original stratigraphie distribution within the crust. It implies that the mafic complex has been emplaced following a dynamic substantially different from the classic model of « gabbro glacier » (Quick et al., 1992; Quick et al., 1994). It is more likely that it has been emplaced by repeated injections of sills at different depths during a protracted period of time. Zircon trace elements and U-Pb ages suggest that regional metamorphism occurred 330-320Ma, the first sills in the deepest part of the Mafic Complex are injected at ~300Ma, the mafic magmas reached higher levels in the crust at 285Ma and the magmatic activity continued locally until 275Ma. The ages of detrital cores in zircons fix the maximal sedimentation age at ~370Ma, this age corresponds therefore with the maximal age of the incorporation of the Ivrea zone within the lower crust. I propose that the Ivrea zone has been accreted to the lower crust during the Hercynian orogeny sensu lato. The analysis of detrital ages suggests that the source terrains for the Ivrea zone and those for the Strona-Ceneri zone have a completely different Palaeozoic history. The systematic analysis of rutile in partially molten metasediments of the Ivrea zone reveals the occurrence of two generations. The two generations are characterized by a different chemistry and textural distribution. A first generation is formed during pro-grade metamorphism in the restitic counterpart. The second generation is formed in the melts during cooling at the same time that part of the first generation re-equilibrate. Re-equilibration of the first generation seems to be spatially controlled by the presence of fluids. Locally the second generation forms overgrowths on the first generation. Considered the different diffusivity of U and Pb in rutile, U heterogeneities have important implication for U-Pb dating of rutile. ID-TIMS and LA-ICPMS dating coupled with a careful textural investigation (SEM) suggest that rutile grains are characterized by multiple path along which Pb diffusion can occur: volume diffusion is an important process, but intragrain and subgrain boundaries provide additional high diffusivity pathways for Pb escape and reduce drastically the effective diffusion length. -- La zone d'Ivrea et la zone de Strona-Ceneri, en Italie nord-occidentale et Suisse méridionale, offrent la possibilité d'étudier la croûte continentale des Alpes du Sud. En raison du haut degré métamorphique et l'abondance d'intrusions mafiques d'âge Permo-Carbonifère [complexe mafique), la zone d'Ivrea est interprétée classiquement comme de la croûte inférieure permienne. Ce travail ce concentre sur des bandes metasédimentaires (septa) incorporées dans les magmas mafiques lors de l'intrusion. Les septa forment une bande irrégulière qui coupe obliquement le complexe mafique du bas (N) vers le haut (S). La chimie des septa évolue du bas vers le haut et l'évolution chimique se rapproche de l'évolution observé dans la roche encaissante l'intrusion affecté par un événement métamorphique régionale. Cette relation suggère que le degré d'appauvrissement chimique des septa a été établit principalement lors de l'événement métamorphique régional. De plus l'incorporation dans les gabbros n'a pas perturbée la distribution stratigraphique originelle des septa. Ces deux observations impliquent que le métamorphisme dans la roche encaissante précède la mise en place du gabbro et que cette dernière ne se fait pas selon le modèle classique (« gabbro glacier » de Quick et al., 1992, 1994), mais se fait plutôt par injections répétées de sills a différentes profondeurs. Les âges U-Pb et les éléments traces des zircons suggèrent que le métamorphisme régionale a eu lieu 330-320Ma, alors que les premiers sills dans la partie profonde du Mafic Complex s'injectent à ~300Ma, le magmatisme mafique atteigne des niveaux supérieurs à 285Ma et continue localement jusqu'à 270Ma. Les âges des coeurs détritiques des zircons permettent de fixer l'âge maximale de sédimentation à ~370Ma ce qui correspond donc à l'âge maximale de l'incorporation de la zone d'Ivrea dans la croûte inférieur. L'analyse systématique des rutiles, nous a permit de montrer l'existence de plusieurs générations qui ont une répartition texturale et une chimie différente. Une génération se forme lors de l'événement UHT dans les restites, une autre génération se forme dans les liquides lors du refroidissement, au même temps qu'une partie de la première génération se rééquilibre au niveau du Zr. Localement la deuxième génération peut former des surcroissances autour de la première génération. Dans ces cas, des fortes différences en uranium entre les deux générations ont des importantes implications pour la datation U-Pb sur rutile. Classiquement les ratios Pb/U dans le rutile sont interprétés comme indiquant l'âges du refroidissement du minéral sous une température à la quelle la diffusion du Pb dans le minéral n'est plus détectable et la diffusion à plus hautes températures est assumée se faire par «volume diffusion» dans le grain (Mezger et al., 1989). Par des datations ID-TIMS (sur grain entier) et LA-ICPMS (in-situ) et une analyse texturale (MEB) approfondie nous montrons que cette supposition est trop simpliste et que le rutile est repartie en sous-domaines. Chacun de ces domaines a ça propre longueur ou chemin de diffusion spécifique. Nous proposons donc une nouvelle approche plus cohérente pour l'interprétation des âges U-Pb sur rutile.

O conceito de incerteza aplicado aos processos de medição associados à preparação de uma solução de referência para calibração

The implementation of a quality assurance program in chemical analytical laboratories, that can aid in demonstrate the quality of their results, is an issue of great concern. As a consequence, it is mandatory to give an estimate of the confidence that can be placed on the obtained results. An useful measure of this confidence is the measurement uncertainty and, nowadays, a result without the corresponding uncertainty statement cannot be considered reliable. This paper presents a summary of the most important mechanisms for the evaluation and reporting of the measurement uncertainty. In implementing these principles, it is described the measurement uncertainty estimation associated with the preparation of a uranium elemental reference solution at 2.4 mg.kg-1 from the corresponding certified reference material (in this example at 1003 mg.kg-1).

Análise sistemática de reagentes e resíduos sem identificação

This work presents a detailed routine applied to the identification of unknown chemicals and wastes. 786 specimens were analyzed during 20 months. Unknown materials fell into three basic classes: (i) commercial chemicals without labels or illegible ones; (ii) laboratory synthesis products; (iii) used solvents (including mixtures). Uranium and thorium were recovered form their wastes. Unknown chemicals were mainly inorganic compounds, many of which had never been opened. Alkaline salts were dominant, but also precious metal compounds were identified. Laboratory synthesis products were organic compounds. The final destination depended on the nature of the chemical. Most organic compounds were sent to incineration; inorganic salts were distributed among several public organizations, including secondary and technical schools. The work described in this paper greatly reduced the amount of wastes that had to be sent to disposal.

Otimização da análise isotópica de UF6 utilizando-se a técnica de espectrometria de massas por quadrupolo

A procedure for determining of the isotope ratio 235U/238U in UF6 samples was established using a quadrupole mass spectrometer with ionization by electron impact. The following items were optimized in the spectrometer: the parameters in the ion source that provided the most intense peak, with good shape, for the most abundant isotope; the resolution that reduced the non linear effects and the number of analytical cycles that reduced the uncertainty in the results. The measurement process was characterized with respect to the effects of mass discrimination, linearity and memory effect.

Extração líquido-líquido de urânio(VI) do colofanito de itataia (Santa Quitéria, Ceará) por extratantes orgânicos em presença de ácido fosfórico

This work describes the liquid-liquid extraction of uranium after digestion of colofanite (a fluoroapatite) from Itataia with sulfuric acid. The experiments were run at room temperature in one stage. Among the solutions tested the highest distribution coefficient (D > 60) was found for 40%vol. DEHPA (di(2-ethyl-hexyl)phosphoric acid) + 20% vol. TOPO (trioctylphosphine oxide) in kerosene. Thorium in the raffinate was quantitatively extracted by TOPO (0.1% vol.) in cyclohexane. Uranium stripping and separation from iron was possible using 1.5 mol L-1 ammonium or sodium carbonate (room temperature, one stage). However, pH control is essential for a good separation.

Biomassa residual para remoção de íons uranilo

Activities related to nuclear industry, production of phosphoric acid and hospitals have generated considerable volumes of radioactive waste containing uranyl ions. Banana pith was characterized by Scanning Electron Microscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy and was investigated as a biosorbent for uranyl ions from nitric solutions by batch experiments. Influences of adsorbent size, kinetics and equilibrium adsorption were studied. The biosorption of the uranyl ions followed pseudo-second-order kinetics. The adsorption isotherm data were closely fitted to the Freundlich equation.

Stability of a nanofiltration membrane after contact with a low-level liquid radioactive waste

This study investigated the treatment of a liquid radioactive waste containing uranium (235U + 238U) using nanofiltration membranes. The membranes were immersed in the waste for 24-5000 h, and their transport properties were evaluated before and after the immersion. Surface of the membranes changed after immersion in the waste. The SW5000 h specimen lost its coating layer of polyvinyl alcohol, and its rejection of sulfate ions and uranium decreased by about 35% and 30%, respectively. After immersion in the waste, the polyamide selective layer of the membranes became less thermally stable than that before immersion.

Ydinvoimalaitoksen vuosihuoltoajankohdan optimointi

Viimeaikoina ydinvoima on ollut vahvasti esillä mediassa. Keskustelut lisäydinvoimasta, sähköntuotantomuodoista, Olkiluodon kolmannen ydinvoimalaitosyksikön rakennustöistä, sähkön kulutuksen tulevaisuudesta ja nykyisestä taloustilanteesta ovat vaikuttaneet tarpeeseen tutkia sähkön tuotantokustannuksia ydinvoiman osalta. Tutkimuksessa keskitytään erityisesti ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuolto- ja polttoainekustannuksiin, jotka muodostavat suurimman suunnitellun yksittäisen kustannuserän ydinvoiman käyttöön liittyen. Työ tehdään Teollisuuden Voima Oyj:lle, joka pääsääntöisesti toimii Eurajoen Olkiluodossa. Työssä optimoidaan jokaiselle Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikölle mahdollisimman edullinen vuosihuoltoajankohta. Optimaalisin ajankohta määrittyy edullisimman sähkön hinnan, ihanteellisimman käyttöjakson pituuden sekä resurssien saatavuuden perusteella. Ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuoltoajankohdat suunnitellaan siten, että vuosihuollot ovat kokonaisuudessaan ja laitosyksikkökohtaisesti optimaaliset. Työn lopputuloksena on esitys Olkiluodon ydinvoimalaitosyksiköiden optimaalisista vuosihuoltoajankohdista. Työn tuloksien myötä Teollisuuden Voima Oyj:llä on mahdollisuus pienentää vuosihuoltokustannuksiaan ja osaltaan vaikuttaa ydinvoimalla tuotetun sähkön kannattavuuteen. Vuosihuoltoajankohdan optimointi palvelee myös Teollisuuden Voima Oyj:n osakkaiden vaatimuksia.

Kehittyneiden ydinpolttoainekiertojen ympäristövaikutusten ja taloudellisuuden arviointia

Kaikkein yleisin käytössä oleva ydinpolttoainekierto on nykyisin avoin, jossa käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan suoraan ilman jälleenkäsittelyä. Nykyisin kehitteillä olevat uuden sukupolven ydinreaktorit ovat kuitenkin pääosin suunniteltu osittain tai kokonaan suljetuille ydinpolttoainekierroille, jossa käytetty polttoaine jälleenkäsitellään ja osa materiaaleista kierrätetään. Tämän työn tavoitteena oli arvioida näitä kehittyneitä ydinpolttoainekiertoja ympäristövaikutusten ja taloudellisuuden suhteen. Työn yleisluonteista vertailua varten valittiin neljä erilaista kehittynyttä polttoainekiertoskenaariota, joita verrattiin avoimeen polttoainekiertoon erilaisten parametrien avulla. Parametreinä käytettiin muun muassa uraanin kulutusta, loppusijoitettavan jätteen määrää, aktiivisuutta ja lämmöntuottoa sekä käytönaikaisten radioaktiivisten päästöjen määrää. Yleislounteisen arvioinnin lisäksi työssä tarkasteltiin polttoainekiertoa myös Suomen näkökulmasta. Nykyistä polttoainekiertoa verrattiin kahteen erilaiseen tulevaisuuden versioon. Kestävän kehityksen osalta kehittyneet polttoainekierrot vähensivät ympäristövaikutusten määrää avoimeen polttoainekiertoon verrattuna. Kehittyneiden polttoainekiertojen kustannukset olivat avoimen polttoainekierron kustannuksia suuremmat. Kokonaiskustannuksissa ero oli kaikilla vertailuskenaarioilla alle 20 %, mutta polttoainekiertokustannuksissa kustannusten kasvu oli välillä 27-45 % riippuen skenaariosta. Suomen tapauksessa tulokset olivat hyvin samankaltaisia. Uraanin kulutus ja loppusijoitettavan jätteen määrä väheni kehittyneempien polttoainekiertojen johdosta. Polttoainekiertokustannukset nousivat noin puolitoistakertaisiksi, mutta vaikutus kokonaiskustannuksiin oli vain noin 10 %. Johtopäätöksenä voidaan todeta, ettäydinpolttoainekierron ympäristövaikutuksia on mahdollista vähentää osittain tai kokonaan suljettujen polttoainekiertojen avulla. Vaikka polttoainekierron kustannukset kasvavat, niiden vaikutus ydinsähkön kokonaiskustannuksiin ei ole niin merkittävä.

Suomen ydinpolttoainekierto

Suomessa on nykyisin käytössä avoimen ydinpolttoainekierron politiikka missä käytetty polttoaine loppusijoitetaan suoraan ilman jälleenkäsittelyä. Nykyisin kehitteillä olevat uuden sukupolven ydinreaktorit ovat kuitenkin pääosin suunniteltu osittain tai kokonaan suljetuille polttoainekierroille, joissa käytetty polttoaine jälleenkäsitellään ja osa materiaaleista kierrätetään. Tässä tutkimusraportissa on tarkoitus arvioida Suomen ydinvoimakapasiteetin ja ydinpolttoainekierron kehitystä tulevina vuosikymmeninä sekä arvioida käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelyn, kierrätyksen ja nopeiden reaktoreiden käyttöönoton vaikutusta muun muassa uraanin kulutukseen, syntyvän käytetyn polttoaineen määrään sekä polttoainekierron taloudellisuuteen. Lisäksi työssä arvioidaan Talvivaaran ja Soklin sivutuotteena saatavan uraanin riittävyyttä Suomen uraanintarpeen kattamiseksi. Työssä arvioitiin ensin oletuksien ja nykyisen tilanteen avulla Suomen ydinvoimakapasiteetin kehitys tuleville vuosille. Perustuen tähän kehitykseen nykyistä polttoainekiertoa verrattiin tämän jälkeen kahteen kehittyneempään polttoainekiertoversioon, joissa käytetty polttoaine jälleenkäsitellään, plutonium kierrätetään uudelleen polttoaineeksi ja osa termisistä reaktoreista korvataan nopeilla. Polttoainekiertoversioiden massavirtojen määrittämisessä käytettiin apuna kansainvälisen atomienergiajärjestön kehittämää Nuclear Fuel Cycle Simulation System -ohjelmaa. Nykyisellä polttoainekierrolla uraanintarve oli laskelmien perusteella noin 100 tuhatta tonnia vuoteen 2100 mennessä. Jälleenkäsittelyn ja plutoniumin kierrätyksen avulla uraanin tarve saatiin pudotettua noin 75 tuhanteen tonniin. Korvaamalla puolet ydinvoimakapasiteetista nopeilla reaktoreilla vuosina 2074 ja 2080 vähentäisi uraanintarvetta edelleen noin 66 tuhanteen tonniin. Kerääntyneen käytetyn polttoaineen määräksi arvioitiin nykyisen kaltaisella polttoainekierrolla noin 11900 tonnia vuoteen 2100 mennessä. Nopeiden reaktoreiden käyttöönoton myötä kerääntyneen käytetyn polttoaineen määrä vähenisi edelleen noin 11200 tonniin vuoteen 2100 mennessä. Talvivaaran ja Soklin uraanintuotanto riittäisi laskelmien mukaan kattamaan Suomen uraanintarpeen nykyisellä polttoainekierrolla vuoteen 2070 asti ja kehittyneemmillä polttoainekierroilla vuosiin 2089 ja 2106 asti riippuen polttoainekierrosta. Polttoainekierron kustannukset nousivat polttoaineen jälleenkäsittelyn ja kierrätyksen myötä noin 50-67 % suuremmiksi nykyiseen polttoainekiertoon verrattuna. Investointi- sekä käyttö- ja kunnossapitokustannuksien erot olivat eri versioiden välillä pienet, mistä johtuen myös kokonaiskustannuksien erot jäivät pieniksi.