Speciation of tetravalent plutonium in contact with humic substances and kaolinite under environmental conditions

Plutonium represents the major contribution to the radiotoxicity of spent nuclear fuel over storage times of up to several hundred thousand years. The speciation of plutonium in aquifer systems is important in order to assess the risks of high-level nuclear waste disposal and to acquire a deep knowledge of the mobilization and immobilization behavior of plutonium. In aqueous solutions, plutonium can coexist in four oxidation states and each one of them has different chemical and physical behavior. Tetravalent plutonium is the most abundant under natural conditions. Therefore, detailed speciation studies of tetravalent plutonium in contact with humic substances (HS) and kaolinite as a model clay mineral have been performed in this work. Plutonium is present in the environment at an ultratrace level. Therefore, speciation of Pu at the ultratrace level is mandatory. Capillary electrophoresis (CE) coupled to resonance ionization mass spectrometry (RIMS) was used as a new speciation method. CE-RIMS enables to improve the detection limit for plutonium species by 2 to 3 orders of magnitude compared to the previously developed CE-ICP-MS. For understanding the behavior of Pu(IV) in aqueous systems, redox reactions, complexation, and sorption behavior of plutonium were studied. The redox behavior of plutonium in contact with humic acid (HA) and fulvic acid (FA) was investigated. A relatively fast reduction of Pu(VI) in contact with HS was observed. It was mainly reduced to Pu(IV) and Pu(III) within a couple of weeks. The time dependence of the Pu(IV) complexation with Aldrich HA was investigated and a complex constant (logßLC) between 6.4 - 8.4 of Pu(IV) was determined by means of ultrafiltration taking into account the loading capacity (LC). The sorption of tetravalent plutonium onto kaolinite was investigated as a function of pH in batch experiments under aerobic and anaerobic conditions. The sorption edge was found at about pH = 1 and a maximum sorption at around pH = 8.5. In the presence of CO2 at pH > 8.5, the sorption of plutonium was decreased probably due to the formation of soluble carbonate complexes. For comparison, the sorption of Th(IV) onto kaolinite was also investigated and consistent results were found. The Pu(IV) sorption onto kaolinite was studied by XANES and EXAFS at pH 1, 4, 9 and the sorbed species on kaolinite surface was Pu(IV). Depending on the pH, only 1 - 10 % of the sorbed plutonium is desorbed from kaolinite and released into a fresh solution at the same pH value. Furthermore, the sorption of HS onto kaolinite was studied as a function of pH at varying concentrations of HS, as a prerequisite to understand the more complex ternary system. The sorption of HA onto kaolinite was found to be higher than that of FA. The investigation of the ternary systems (plutonium-kaolinite-humic substances) is performed as a function of pH, concentration of HS, and the sequences of adding the reactants. The presence of HS strongly influences the sorption of Pu(IV) onto kaolinite over the entire pH range. For comparison, the influence of HS on the sorption of Th(IV) onto kaolinite was also investigated and a good agreement with the results of Pu(IV) was obtained.

Entwicklung des Laserionenquellen und -fallenprojekts LIST für Ultraspurendetektion und Grundlagenforschung

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Realisation des neuartigen Konzepts der Laserionenquellenfalle für die on-line Produktion exotischer Nuklide und für den Nachweis von Spurenisotopen in Proben mit starken Isobarenkontaminationen. Ziel dieser Entwicklung ist eine wesentliche Steigerung der Isobarenselektivität einer herkömmlichen Laserionenquelle, sowie die Erzeugung zeitlich kontrollierter Ionenpulse mit hervorragender Strahlqualität. Es konnte die prizipielle Funktionsfähigkeit des Systems in Kombination mit einem Titan:Saphir-Lasersystem für die Elemente Gallium, Calcium und Nickel demonstriert und Ionenpulse mit einer minimalen Pulslänge von 1 µs erzeugt werden. Nach ersten Abschätzungen ist die Effizienz des Systems etwa einen Faktor 2500 geringer als die einer herkömmlichen Laserionenquelle. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem spurenanalytischen Nachweis von 99-Tc, mit dem Ziel, das Verhalten von 99-Tc in der Umgebung eines möglichen Endlagers für nukleare Abfälle studieren zu können. Hier wurden erste Studien mit dem kurzlebigen Isomer 99m-Tc zur Wechselwirkung von Tc(VII) mit Huminsäure und Kaolinit durchgeführt. Für den Einsatz der Laserionenquellenfalle in der Ultraspurenanalyse, wurde ein effizientes Anregungsschema für Titan:Saphir-Laser entwickelt und 99-Tc in einer herkömmlichen Ionenquelle nachgewiesen. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt Machbarkeitsstudien zum Aufbau einer Laserionenquelle auf Basis eines Titan:Sahphir-Lasersystems, die parallel zu oben genannten Entwicklungen am Oak Ridge National Laboratory durchgeführt wurden. Im Rahmen dieser Messungen wurden Anregungsschemata für die resonante Anregung und Ionisation von Kupfer und Palladium für Titan:Saphir-Laser getestet. Dabei konnte zum ersten Mal frequenzvervierfachtes Laserlicht in einer Laserionenquelle eingesetzt werden. Am ORNL wurden Studien zur Zeitstruktur von Laserionenpulsen, sowie Emittanzmessungen von Laser- und Oberflächenionenstrahlen durchgeführt werden.

Anwendung der CE-ICP-MS und RIMS sowie Entwicklung und Anwendung der CE-RIMS auf Umweltproben

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Wechselwirkung und Transport von Actiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen die thermodynamische Datenbasis für Actiniden erweitern sowie Informationen zur Ableitung von Bewertungskriterien für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Ton als Wirtsgestein, insbesondere über das Rückhaltevermögen von Tongestein gegenüber Radionukliden, liefern. Dabei stand die Anwendung verschiedener Speziationstechniken wie CE-ICP-MS, UV/VIS und die apparative Entwicklung der CE-RIMS im Vordergrund. Es sollte das Verhalten von Plutonium in umweltrelevanten Medien und Konzentrationen, im Ultraspurenbereich, untersucht werden. Unabhängig davon sollten Uranproben aus dem 2. Weltkrieg und Umweltproben des Landesamts für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz auf ihren Plutoniumgehalt analysiert werden. Dazu wurde zunächst ein neues ICP-MS-Gerät Agilent 7500ce in Betrieb genommen und auf die Verwendung in Kombination mit der Kapillarelektrophorese optimiert. Die erreichte Nachweisgrenze für die vier Oxidationsstufen des Pu beträgt 0,05 ppb des gesamten Plutoniums in Lösung. Mit Hilfe der CE-ICP-MS wurde die Redoxstabilität einer Mischung aus verschiedenen Oxidationszuständen des Plutoniums in Opalinus-Ton-Porenwasser und Vergleichsmedien unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit der CE untersucht. Die Untersuchungen zeigen das Pu(III) bis zu 40 min im verwendeten Elektrolytsystem stabil ist und dann oxidiert wird. In Porenwasser wurde als vorherrschende Spezies Pu(V) bestimmt. Die Redoxstabilität von Pu(VI) wurde untersucht, dabei wurde festgestellt, dass sich Pu(VI) bereits durch einfaches Verdünnen reduzieren lässt. Weiterhin wurden die Kd-Werte für die Sorption von Plutonium an Opalinuston unter aeroben und anaeroben Bedingungen für Pu(III) und Pu(IV) im System Porenwasser/Opalinuston von Kd(aerob) Pu(III) ≈ 53 m3/kg, Kd(aerob) Pu(IV) ≈ 14 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(III) ≈ 114 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(IV) ≈ 178 m3/kg bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Anwendung der Kopplung CE-RIMS zur Speziation des Plutoniums im Ultraspurenbereich. Dies konnte erfolgreich in mehreren Schritten durchgeführt und an den Proben aus den Batchversuchen zur Kd-Wert Bestimmung angewandt werden. Der Memory-Effekt des an den Kapillarwänden sorbierenden Pu(IV) konnte mit der empfindlichen Kopplung CE-RIMS ebenfalls nachgewiesen werden.

Sorption and direct speciation of neptunium(V) on aluminium oxide and montmorillonite

This study comprised batch experiments, direct speciation studies via EXAFS, and modelling with the 2SPNE SC/CE model to elucidate the mechanisms of Np(V) sorption on montmorillonite and, for reference, on γ-Al2O3. The sorption of pM 239Np(V) and µM 237Np(V) on montmorillonite (STx-1, 4 g/L) and γ-Al2O3 (0.5 g/L) was studied at room temperature in the presence and absence of ambient CO2 covering a pH-range from 2.5 (STx-1) or 5 (γ-Al2O3) to 10.5 with 0.01 or 0.1M NaClO4 as background electrolyte. The Np(V) uptake was determined by γ spectroscopy of the supernatants and calculated as percentage as well as distribution coefficient Kd. Sorption starts from pH ~6 and, under exclusion of CO2, increases continuously, while, in the presence of ambient air, it reaches a maximum at pH ~8.5 (γ-Al2O3: log Kd max ≈ 4 mL/g; STx-1: log Kd max ≈ 2.7 mL/g). Beyond that it decreases again due to the formation of queous neptunium carbonate complexes. Furthermore, neptunium sorption on montmorillonite is influenced by ionic strength at pH <6 through ion exchange processes pointing towards the formation of outer-sphere surface complexes there. Isotherms measured at the sorption maximum showed the precipitation of resumably neptunium carbonate complexes above 3∙10^-5 M under ambient air conditions. Additionally, they indicated progressive saturation of the sorption sites of γ-Al2O3. At selected pH (STx-1: 5.0, 7.0, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5; γ-Al2O3: 8.5, 9.5) EXAFS samples were prepared as wet pastes with µM 237Np and measured at room temperature in fluorescence mode at ANKA and ESRF. Several spectra were averaged and analysed with EXAFSPAK and FEFF 8.20 employing models of NaNpO2(CO3) or soddyite, (UO2)2SiO4∙2(H2O). The shorter atomic distances of the neptunyl ion at pH 5 compared to the others hinted at the retention of the hydration shell and, thus, at outer-sphere sorption. On average the bond lengths for Np(V) sorbed on STx-1 at high pH were Oax ≈ 1.84 Å and Oeq ≈ 2.53 Å. At high pH, ternary neptunyl carbonate surface complexes could be identified for montmorillonite (C ≈ 3.00 Å), but not for γ-Al2O3, where an interaction of neptunium with the aluminium surface atoms according to the soddyite model gave better agreement with the experimental data. However, neither structure as suggested by the two models could be excluded for both systems rendering a combination most likely. Modelling of the sorption data provided further evidence for the existence of ternary neptunium carbonate surface complexes in both cases. The results of this study can aid environmental risk assessment for clay-based nuclear waste repositories by providing valuable input data for simulations of radionuclide migration from a final disposal site.

Entwicklung von Ionenquellen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz bei der resonanten Laserionisation

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz von Resonanzionisations-Laserionenquellen vorgestellt. Mit der Perspektive auf die Anwendungen radioaktiver Ionenstrahlen in der Grundlagenforschung sowie auf Fragestellungen in der Ultraspurenanalytik wurden verschiedene Methoden entwickelt und erprobt: Auf Seiten der Grundlagenforschung wurden zwei komplementäre Ansätze, die Konstruktion von Ionenquellen aus Materialien niedriger Austrittsarbeit und die Weiterentwicklung der Laserionenquelle und -falle LIST umgesetzt. Hierdurch konnte die Selektivität der Resonanzionisation in on-line Tests um einige Gröÿenordnungen verbessert werden. Für die Ultraspurenanalytik wurden speziell angepasste, hocheffiziente Ionenquellen entwickelt. Mit diesen Ionenquellen wurde für die Resonanzionisation von Gallium eine Ionisationseffizienz von 67 % demonstriert, für den Ultraspurennachweis des im Zusammenhang der nuklearen Endlagerung wichtigen Radioisotops 99g-Technetium wurde auf dieser Grundlage eine Nachweisgrenze von weniger als 10^6 Atomen gezeigt.

Speziation von Neptunium bei der Migration in Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Stipendiums des interdisziplinärenrnGraduiertenkollegs 826 „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklung und Anwendungen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Land Rheinland-Pfalz, angefertigt. Dabei sollten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Neptunium und natürlichem Tongestein mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen werden. Auf Grund seiner langen Halbwertszeit von mehr als zwei Millionen Jahren wird Np-237 einen signifikanten Anteil an der Radiotoxizität dieser Abfälle nach Lagerzeiten von mehr als 1000 Jahren haben. Np tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +IV und +V auf. Auf Grund der guten Löslichkeit und daher höheren Mobilität ist Np(V) als die gefährlichere Spezies einzustufen. In den Migrationsstudien wurdernOpalinuston (OPA) aus Mont Terri, Schweiz, als natürliches Referenzmaterial verwendet. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei auf der Speziation von Np an der Mineraloberfläche mittels synchrotronbasierter Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES).rnDie Wechselwirkung zwischen Np(V) und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Temperatur, Hintergrundelektrolyt, Einfluss von Huminsäure, Konkurrenz mit U(VI), aerobe/anaerobe Bedingungen) untersucht. Die Untersuchung der Np-Speziation erfolgt zum einen an Pulverproben aus Batch-Experimenten unter aeroben und anaeroben Bedingungen, welche mittels EXAFS-Spektroskopie untersucht wurden. Zum anderen wurden ortsaufgelöste μ-XANES-Messungen an Np-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben durchgeführt. Durch Kombination der Spektroskopie mit μ-Rötngenfluoreszenzmapping (XRF) und μ-Röntgenbeugung (XRD) konnten zudem Erkenntnisse über die Elementverteilung von Np und anderen im Opalinuston enthaltenen Elementen sowie über kristalline Mineralphasen im Umfeld von Bereichen erhöhter Np-Konzentration erhalten werden.rnSowohl Sorptionsexperimente als auch die spektroskopischen Untersuchungen zeigten eine teilweise Reduktion von Np(V) zu Np(IV) bei der Wechselwirkung mit OPA. Dabei konnte Pyrit als eine der redoxaktiven Phasen identifiziert werden. In diesem Zusammenhang ist die Bildung schwerlöslicher Np(IV)-Spezies mit Hinblick auf die Endlagerung positiv zu bewerten.

Massenspektrometrische Untersuchungen des Komplexierungsverhaltens von Actinid-Ionen in Lösung

Da die Langzeit-Radiotoxizität von abgebrannten Kernbrennstoffen von Plutonium und den minoren Actiniden dominiert wird, sind diese Elemente im Fokus der Untersuchungen bezüglich der Entsorgung der radioaktiven Abfälle.rnUm ein besseres Verständnis der Selektivität der Partitioning-Liganden BTP und BTBP bezüglich der Extraktion von trivalenten Actiniden zu erlangen, wurden die Komplexe, die diese mit Lanthaniden in octanolischer Lösung bilden charakterisiert. Das unterschiedliche Extraktionsverhalten der Lanthaniden untereinander konnte dabei auf unterschiedliche Präferenz zur Bildung von Ln(BTP)3-Komplexen abhängig vom Ionenradius der Lanthaniden zurückgeführt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass abhängig vom sterischen Anspruch der BTBP-Liganden in Eu(BTBP)2-Komplexen Nitratliganden in der ersten Koordinationssphäre gebunden werden. rnDa das Verhalten von Plutonium unter geochemischen Bedingungen von besonderem Interesse für die Risikoabschätzung von nuklearen Endlagern ist, widmet sich der zweite Teil der Arbeit dem Hydrolyse- und Kolloidbildungsverhalten von wässrigen Plutoniumlösungen in den Oxidationsstufen IV bis VI. Daher wurden die Lösungsspezies von sowohl Zirconium(IV) als Analogon für Plutonium(IV), als auch die von Uran(VI) und Plutonium(VI) direkt mittels massenspektrometrischer Methoden charakterisiert und quantifiziert. Darüber hinaus wurde die kinetische Hemmung der Reduktion von Pu(V) zu Pu(IV) und nachfolgender Kolloidbildung untersucht, welche sich durch oberflächeninduzierte Reduktion an kolloidalen Kristallisationskeimen deutlich beschleunigen lässt.rn

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.

Migration von Technetium in natürlichem Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Rückhaltung endlagerrelevanter Radionuklide im natürlichen Tongestein und salinaren Systemen“ (Förderkennzeichen: 02E10981), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde, angefertigt. Ziel war es, erstmals Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen dem Spaltprodukt Technetium und einem natürlichen Tongestein im Hinblick auf ein Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle zu erlangen. Hierfür wurde der in der Nordschweiz vorkommende Opalinuston aus Mont Terri als Referenzmaterial verwendet. Das Nuklid Technetium-99 liefert auf Grund seiner langen Halbwertszeit einen signifikanten Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Brennelemente für mehr als tausend Jahre. Im Falle einer Freisetzung aus den Lagerbehältern wird die Geochemie des Technetiums von seiner Oxidationsstufe bestimmt, wobei lediglich die Oxidationsstufen +IV und +VII von Relevanz sind. Auf Grund seiner hohen Löslichkeit und geringen Affinität zur Sorption an Oberflächen von Mineralien ist Tc(VII) die mobilste und somit auch gefährlichste Spezies. Entsprechend lag der Fokus dieser Arbeit auf Diffusionsexperimenten dieser mobilen Spezies sowie auf dem Einfluss von Eisen(II) auf die Mobilität und die Speziation des Technetiums.rnDie Wechselwirkung zwischen Technetium und Opalinuston wurde in Sorptions- und Diffusionsexperimenten unter Variation verschiedener Parameter (pH-Wert, Zusatz verschiedener Reduktionsmittel, Einfluss von Sauerstoff, Diffusionsweg) untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurden erstmals ortsaufgelöste Untersuchungen zur Speziation des Technetiums an Dünnschliffen und Bohrkernen durchgeführt. Dabei konnten ergänzend zur Speziation auch Informationen über die Elementverteilung und die kristallinen Mineralphasen nahe lokaler Anreicherungen des Radionuklides gewonnen werden. Zusätzlich erlaubten Untersuchungen an Pulverproben die Bestimmung der molekularen Struktur des Technetiums an der Tonoberfläche.rnSowohl die Kombination der oben aufgeführten Sorptionsexperimente mit spektroskopischen Untersuchungen als auch die Diffusionsexperimente zeigten unter Sauerstoffausschluss eine Reduktion von Tc(VII) zu immobilen Tc(IV)-Spezies. Weiterhin konnte die Bildung eines Tc(IV)-Sorptionskomplexes an der Tonoberfläche gezeigt werden. Im Hinblick auf ein Endlager in Tongestein sind diese Ergebnisse positiv zu bewerten.

Paleozoic-aged brine and authigenic helium preserved in an Ordovician shale aquiclude

Consideration of the geosphere for isolation of nuclear waste has generated substantial interest in the origin, age, and movement of fl uids and gases in low-permeability rock formations. Here, we present profi les of isotopes, solutes, and helium in porewaters recovered from 860 m of Cambrian to Devonian strata on the eastern fl ank of the Michigan Basin. Of particular interest is a 240-m-thick, halite-mineralized, Ordovician shale and carbonate aquiclude, which hosts Br–-enriched, post-dolomitic brine (5.8 molal Cl) originating as evaporated Silurian seawater. Authigenic helium that has been accumulating in the aquiclude for more than 260 m.y. is found to be isolated from underlying allochthonous, 3He-enriched helium that originated from the rifted base of the Michigan Basin and the Canadian Shield. The Paleozoic age and immobility of the pore fl uids in this Ordovician aquiclude considerably strengthen the safety case for deep geological repositories, but also provide new insights into the origin of deep crustal brines and opportunities for research on other components of a preserved Paleozoic porewater system.

Squeezing of Pore-water from Core Samples of DGR Boreholes: Feasibility Study

Three archived core samples from boreholes DGR-4, DGR-5 and DGR-6 from the Salina F Unit, Queenston Formation and the Georgian Bay Formation were subjected to squeezing tests at pressures of up to 500 MPa. Two samples did not yield any water, while a total of 0.88 g pore water was obtained from a clay-rich sample from the Blue Mountain Formation (water content = 2.8 wt.%, porosity = 8 %). This water mass was sufficient for a full chemical and water-isotope analysis – the first direct determination of pore-water composition in rocks from the DGR boreholes. The results are generally in reasonable agreement with those of independent methods, or the observed differences can be explained. Ancillary investigations included the determination of water content, densities and mineralogy, aqueous extraction of squeezed cores, and SEM investigations to characterise the microtexture of unsqueezed and squeezed rock materials. It is concluded that squeezing is a promising method of pore-water extraction and characterisation and is recommended as an alternative method for future studies. Selection criteria for potentially squeezable samples include high clay-mineral content (correlating in a high water content) and low carbonate content (low stiffness, limited cementation). Potential artefacts of the method, such as ion filtration or pressure solution, should be explored and quantified in future efforts.

Anisotropic diffusion at the field scale in a 4-year multi-tracer diffusion and retention experiment – I: Insights from the experimental data

Abstract Claystones are considered worldwide as barrier materials for nuclear waste repositories. In the Mont Terri underground research laboratory (URL), a nearly 4-year diffusion and retention (DR) experiment has been performed in Opalinus Clay. It aimed at (1) obtaining data at larger space and time scales than in laboratory experiments and (2) under relevant in situ conditions with respect to pore water chemistry and mechanical stress, (3) quantifying the anisotropy of in situ diffusion, and (4) exploring possible effects of a borehole-disturbed zone. The experiment included two tracer injection intervals in a borehole perpendicular to bedding, through which traced artificial pore water (APW) was circulated, and a pressure monitoring interval. The APW was spiked with neutral tracers (HTO, HDO, H2O-18), anions (Br, I, SeO4), and cations (Na-22, Ba-133, Sr-85, Cs-137, Co-60, Eu-152, stable Cs, and stable Eu). Most tracers were added at the beginning, some were added at a later stage. The hydraulic pressure in the injection intervals was adjusted according to the measured value in the pressure monitoring interval to ensure transport by diffusion only. Concentration time-series in the APW within the borehole intervals were obtained, as well as 2D concentration distributions in the rock at the end of the experiment after overcoring and subsampling which resulted in �250 samples and �1300 analyses. As expected, HTO diffused the furthest into the rock, followed by the anions (Br, I, SeO4) and by the cationic sorbing tracers (Na-22, Ba-133, Cs, Cs-137, Co-60, Eu-152). The diffusion of SeO4 was slower than that of Br or I, approximately proportional to the ratio of their diffusion coefficients in water. Ba-133 diffused only into �0.1 m during the �4 a. Stable Cs, added at a higher concentration than Cs-137, diffused further into the rock than Cs-137, consistent with a non-linear sorption behavior. The rock properties (e.g., water contents) were rather homogeneous at the centimeter scale, with no evidence of a borehole-disturbed zone. In situ anisotropy ratios for diffusion, derived for the first time directly from field data, are larger for HTO and Na-22 (�5) than for anions (�3�4 for Br and I). The lower ionic strength of the pore water at this location (�0.22 M) as compared to locations of earlier experiments in the Mont Terri URL (�0.39 M) had no notable effect on the anion accessible pore fraction for Cl, Br, and I: the value of 0.55 is within the range of earlier data. Detailed transport simulations involving different codes will be presented in a companion paper.

Long-term diffusion experiment at Mont Terri: first results from field and laboratory data

The diffusion of radionuclides is an important safety aspect for nuclear waste disposal in argillaceous host rocks. A long-term diffusion experiment, termed DI-A, is being carried out at the Mont Terri Rock Laboratory in the Opalinus Clay formation. The aim of this experiment is the understanding of the migration and sorption behaviour of cationic and anionic species in consolidated clays. This study reports on the experimental layout and the first results obtained from the DI-A experiment, which include the investigation of HTO, Na-22(+), Cs+, and I- migration during a period of 1 year by analysing these tracers in the water circulating in the borehole. In addition, results obtained from through-diffusion experiments on small-sized samples with HTO, I-, and Cl-36(-) are presented. The decrease of tracer concentrations in the borehole is fastest for Cs+, followed by Na-22(+), HTO, and finally I-. The chemical composition of the artificial pore water in the borehole shows very little variation with time, thus indicating almost no chemical disturbance around the borehole. Through-diffusion experiments in the laboratory that were performed parallel to the bedding plane with two different methods yielded effective diffusion coefficients for HTO of 4-5 X 10(-11) m(2) s(-1) and significantly lower ones for anions Cl- and I- (0.7-1.6 X 10(-11) m(2) s(-1)). The results indicate the importance of anion exclusion effects arising from the negatively charged clay surfaces. Furthermore, they demonstrate the anisotropic diffusion properties of the clay formation with significantly increased diffusion rates parallel to bedding relative to the perpendicular direction. The tracer data of the in situ experiment were successfully described with 2D diffusion models using diffusion and sorption parameters obtained from the above mentioned and other laboratory studies. The modelling results indicate that HTO and I- diffused with no retardation. The retardation of Na+ and Cs+ could be described by empirical sorption expressions from previously derived batch sorption (Cs+) or diffusion (Na+) experiments. Overall, the obtained results demonstrate the feasibility of the technical concept to study the diffusion of nonsorbing and sorbing tracers in consolidated clays. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Water–montmorillonite systems: Neutron scattering and tracer throughdiffusion studies

Designs for deep geological respositories of nuclear waste include bentonite as a hydraulic and chemisorption buffer material to protect the biosphere from leakage of radionuclides. Bentonite is chosen because it is a cheap, naturally occurring material with the required properties. It consists essentially of montmorillonite, a swelling clay mineral. Upon contact with groundwater such clays can seal the repository by incorporating water in the interlayers of their crystalline structure. The intercalated water exhibits significantly different properties to bulk water in the surrounding interparticle pores, such as lower diffusion coefficients (González Sánchez et. al. 2008). This doctoral thesis presents water distribution and diffusion behavior on various time and space scales in montmorillonite. Experimental results are presented for Na- and Cs-montmorillonite samples with a range of bulk dry densities (0.8 to 1.7 g/cm3). The experimental methods employed were neutron scattering (backscattering, diffraction, time-of-flight), adsorption measurements (water, nitrogen) and tracer-through diffusion. For the tracer experiments the samples were fully saturated via the liquid phase under volume-constrained conditions. In contrast, for the neutron scattering experiments, the samples were hydrated via the vapor phase and subsequently compacted, leaving a significant fraction of interparticle pores unfilled with water. Owing to these differences in saturation, the water contents of the samples for neutron scattering were characterized by gravimetry whereas those for the tracer experiments were obtained from the bulk dry density. The amount of surface water in interlayer pores could be successfully discriminated from the amount of bulk-like water in interparticle pores in Na- and Csmontmorillonite using neutron spectroscopy. For the first time in the literature, the distribution of water between these two pore environments was deciphered as a function of gravimetric water content. The amount was compared to a geometrical estimation of the amount of interlayer and interparticle water determined by neutron diffraction and adsorption measurements. The relative abundances of the 1 to 4 molecular water layers in the interlayer were determined from the area ratios of the (001)-diffraction peaks. Depending on the characterization method, different fractions of surface water and interlayer water were obtained. Only surface and interlayer water exists in amontmorillonite with water contents up to 0.18 g/g according to spectroscopic measurements and up to 0.32 g/g according to geometrical estimations, respectively. At higher water contents, bulk-like and interparticle water also exists. The amounts increase monotonically, but not linearly, from zero to 0.33 g/g for bulk-like water and to 0.43 g/g for interparticle water. It was found that water most likely redistributes between the surface and interlayer sites during the spectroscopic measurements and therefore the reported fraction is relevant only below about -10 ºC (Anderson, 1967). The redistribution effect can explain the discrepancy in fractions between the methods. In a novel approach the fractions of water in different pore environments were treated as a fixed parameter to derive local diffusion coefficients for water from quasielastic neutron scattering data, in particular for samples with high water contents. Local diffusion coefficients were obtained for the 1 to 4 molecular water layers in the interlayer of 0.5·10–9, 0.9·10–9, 1.5·10–9 and 1.4·10–9 m²/s, respectively, taking account of the different water fractions (molecular water layer, bulk-like water). The diffusive transport of 22Na and HTO through Na-montmorillonite was measured on the laboratory experimental scale (i.e. cm, days) by tracer through-diffusion experiments. We confirmed that diffusion of HTO is independent of the ionic strength of the external solution in contact with the clay sample but dependent on the bulk dry density. In contrast, the diffusion of 22Na was found to depend on both the ionic strength of the pore solution and on the bulk dry density. The ratio of the pore and surface diffusion could be experimentally determined for 22Na from the dependence of the diffusion coefficient on the ionic strength. Activation energies were derived from the temperaturedependent diffusion coefficients via the Arrhenius relation. In samples with high bulk dry density the activation energies are slightly higher than those of bulk water whereas in low density samples they are lower. The activation energies as a function of ionic strengths of the pore solutions are similar for 22Na and HTO. The facts that (i) the slope of the logarithmic effective diffusion coefficients as a function of the logarithmic ionic strength is less than unity for low bulk dry densities and (ii) two water populations can be observed for high gravimetric water contents (low bulk dry densities) support the interlayer and interparticle porosity model proposed by Glaus et al. (2007), Bourg et al. (2006, 2007) and Gimmi and Kosakowski (2011).

Matrix Porewater In Crystalline Rocks: Extraction and Analysis

The chemical and isotopic characterization of porewater residing in the inter- and intragranular pore space of the low-permeability rock matrix is an important component with respect to the site characterization and safety assessment of potential host rocks for a radioactive waste disposal. The chemical and isotopic composition of porewater in such low permeability rocks has to be derived by indirect extraction techniques applied to naturally saturated rock material. In most of such indirect extraction techniques – especially in case of rocks of a porosity below about 2 vol.% – the original porewater concentrations are diluted and need to be back-calculated to in-situ concentrations. This requires a well-defined value for the connected porosity – accessible to different solutes under in-situ conditions. The derivation of such porosity values, as well as solute concentrations, is subject to various perturbations during drilling, core sampling, storage and experiments in the laboratory. The present study aims to demonstrate the feasibility of a variety of these techniques to charac-terize porewater and solute transport in crystalline rocks. The methods, which have been de-veloped during multiple porewater studies in crystalline environments, were applied on four core samples from the deep borehole DH-GAP04, drilled in the Kangerlussuaq area, Southwest Greenland, as part of the joint NWMO–Posiva–SKB Greenland Analogue Project (GAP). Potential artefacts that can influence the estimation of in situ porewater chemistry and isotopes, as well as their controls, are described in detail in this report, using specific examples from borehole DH-GAP04