A survey of alternative once-through fast reactor core designs

Reprocessing of Light Water Reactor (LWR) spent fuel to recover plutonium or transuranics for use in Sodium cooled Fast Reactors (SFRs) is a distant prospect in the U.S.A. This has motivated our evaluation of potentially cost-effective operation of uranium startup fast reactors (USFRs) in a once-through mode. This review goes beyond findings reported earlier based on a UC fueled MgO reflected SFR to describe a broader parametric study of options. Cores were evaluated for a variety of fuel/coolant/reflector combinations: UC/UZr/UO 2/UN;Na/Pb; MgO/SS/Zr. The challenge is achieving high burnup while minimizing enrichment and respecting both cladding fluence/dpa and reactivity lifetime limits. These parametric studies show that while UC fuel is still the leading contender, UO 2 fuel and ZrH 1.7 moderated metallic fuel are also attractive if UC proves to be otherwise inadequate. Overall, these findings support the conclusion that a competitive fuel cycle cost and uranium utilization compared to LWRs is possible for SFRs operated on a once-through uranium fueled fuel cycle. In addition, eventual transition to TRU recycle mode is studied, as is a small test reactor to demonstrate key features.

Microheterogeneous Thoria-Urania Fuels for Pressurized Water Reactors

A thorium-based fuel cycle for light water reactors will reduce the plutonium generation rate and enhance the proliferation resistance of the spent fuel. However, priming the thorium cycle with ²³⁵U is necessary, and the ²³⁵U fraction in the uranium must be limited to below 20% to minimize proliferation concerns. Thus, a once-through thorium-uranium dioxide (ThO2-UO2) fuel cycle of no less than 25% uranium becomes necessary for normal pressurized water reactor (PWR) operating cycle lengths. Spatial separation of the uranium and thorium parts of the fuel can improve the achievable burnup of the thorium-uranium fuel designs through more effective breeding of ²³³U from the ²³²Th. Focus is on microheterogeneous fuel designs for PWRs, where the spatial separation of the uranium and thorium is on the order of a few millimetres to a few centimetres, including duplex pellet, axially microheterogeneous fuel, and a checkerboard of uranium and thorium pins. A special effort was made to understand the underlying reactor physics mechanisms responsible for enhancing the achievable burnup at spatial separation of the two fuels. The neutron spectral shift was identified as the primary reason for the enhancement of burnup capabilities. Mutual resonance shielding of uranium and thorium is also a factor; however, it is small in magnitude. It is shown that the microheterogeneous fuel can achieve higher burnups, by up to 15%, than the reference all-uranium fuel. However, denaturing of the ²³³U in the thorium portion of the fuel with small amounts of uranium significantly impairs this enhancement. The denaturing is also necessary to meet conventional PWR thermal limits by improving the power share of the thorium region at the beginning of fuel irradiation. Meeting thermal-hydraulic design requirements by some of the microheterogeneous fuels while still meeting or exceeding the burnup of the all-uranium case is shown to be potentially feasible. However, the large power imbalance between the uranium and thorium regions creates several design challenges, such as higher fission gas release and cladding temperature gradients. A reduction of plutonium generation by a factor of 3 in comparison with all-uranium PWR fuel using the same initial ²³⁵U content was estimated. In contrast to homogeneously mixed U-Th fuel, microheterogeneous fuel has a potential for economic performance comparable to the all-UO2 fuel provided that the microheterogeneous fuel incremental manufacturing costs are negligibly small.

Optical properties of UO2 and PuO2

We perform first-principles calculations of electronic structure and optical properties for UO2 and PuO2 based on the density functional theory using the generalized gradient approximation (GGA) + U scheme. The main features in orbital-resolved partial density of states for occupied f and p orbitals, unoccupied d orbitals, and related gaps are well reproduced compared to experimental observations. Based on the satisfactory ground-state electronic structure calculations, the dynamical dielectric function and related optical spectra, i.e., the reflectivity, adsorption coefficient, energy-loss, and refractive index spectrum, are obtained. These results are consistent with the available experiments.

放射性钚和铯在湖泊中的时空分布特性及近期沉积年代学应用

短半衰期的137Cs具有高放射毒性，而半衰期较长的Pu的化学毒性极强，它们在环境中富集，进而在食物链中迁移，将直接威胁人类健康，国内在Pu和137Cs的分析方法、环境剂量以及湖泊地质等方面已展开了一些研究，但仍处于起步阶段，内容不够系统全面。湖泊和水库是生活饮用水或农用灌溉水源地，与人类生活息息相关，因此研究湖泊中人为放射性核素的污染状况、来源及归宿显得尤为重要；而且湖泊沉积物作为湖泊中大多污染物的最终归宿地，能够有效地保存湖泊区域的污染历史，研究湖泊沉积物有助于认清湖泊污染历史、探明污染机理，为污染现状评价、水质调查及治理提供可靠的基础依据，钚和铯的特殊性质可为环境科学等方面的研究提供关键的沉积年代学基础数据。 本研究在全国范围内选取具有代表性的不同区域分布、湖泊类型、人为扰动状况的湖泊为研究对象，应用基于γ谱的137Cs分析方法和本文建立的针对淡水湖泊沉积物的Pu同位素分析方法，研究了人为放射性核素Pu和137Cs在全国范围内的分布特征、近源传输及在湖泊中的沉积与迁移机理，并探讨了239+240Pu计年方法的有效性。通过上述研究，得到了如下主要结论： 1、建立了基于阴离子交换树脂分离的Pu同位素ICP-SF-MS分析方法，采用AG1-X8树脂分离Pu与杂质元素以及AG MP-1M纯化Pu同位素。高的仪器灵敏度、良好的U去除效率、足够的Pu同位素化学回收率表明该方法能够有效地检测湖泊沉积物样品中的痕量239Pu和240Pu。此外，纯化Pu同位素时，采用HBr洗脱Pu同位素以排除PbCl+对Pu同位素的干扰，因此该方法除了适应239Pu、240Pu分离分析之外，还可为后期分析浓度更低的241Pu提供技术保证。 2、通过分析沉积物岩芯中的239+240Pu沉积通量和137Cs沉积通量、240Pu/239Pu同位素平均比、239+240Pu/137Cs活度平均比及Pu、137Cs在沉积物岩芯中的剖面分布特征发现博斯腾湖有中国核试验基地的人为放射性核素污染，其表现形式为核爆试验产生的可溶性气溶胶颗粒和热核颗粒沉降后再悬浮造成的偶然性污染和源自罗布泊的地表径流引起的普遍性污染。博斯腾湖的Pu同位素结果表明平流层沉降的中国核试验的核碎片的240Pu/239Pu同位素原始比值可能为0.18左右，非常接近全球大气沉降值。苏干湖和双塔水库有源自中国核试验的可溶性气溶胶颗粒经大气沉降后再悬浮造成的人为放射性核素污染，苏干湖中大约有40%左右的137Cs以及27%左右的239+240Pu源自中国核试验，双塔水库中源自中国核试验的239+240Pu和137Cs所占的比例分别为27.1%和30.6%。 3、单一的239+240Pu和137Cs蓄积峰不能完全解析出沉积速率较慢的青海湖是否有源自在罗布泊进行的中国核武器爆炸试验的污染，但1963年全球大气沉降高峰下端的低240Pu/239Pu同位素比值表明青海湖可能有源自始建于1957年的中国原子城的地表径流泄漏或地下渗透泄漏的人为放射性核素污染。 4、西南地区的湖泊中，云南程海部分137Cs可能源于长距离迁移的中国核试验，但明确中国核试验对西南地区的影响还需要中国核试验源Pu和137Cs长距离迁移的信息，如青藏高原湖泊和西川盆地湖泊沉积物中人为放射性核素来源。其它湖泊中人为放射性核素的污染均源于全球大气沉降。 5、火山成因封闭式玛珥湖，在没有人为扰动的条件下，137Cs和239+240Pu主要以微弱的分子扩散迁移，迁移速率不明显，能较好地保持沉积历史；对人为活动比较频繁的浅水湖泊而言，人为活动、强风等恶劣气候以及上层水体和底层水体的交互对流等因素引起的沉积物再悬浮作用加剧了239+240Pu和137Cs主要以分子扩散迁移作用，造成水体寄宿时间短的浅水湖泊中239+240Pu和137Cs的不同步损失，导致239+240Pu和137Cs峰型的无序化。 6、受人为扰动较弱的湖泊中137Cs比活度和239+240Pu比活度成良好的线性相关，表明239+240Pu蓄积峰的信息能够为此类型湖泊沉积物提供有效的近期沉积年代学数据；对受人为扰动比较大的湖泊来说，137Cs和239+240Pu蓄积峰在近期沉积物计年的方面各有优劣，计年数据的可靠性不强；青海湖各沉积物岩芯的沉积物计年结果表明湖泊的沉积物累积率或沉积速度存在区域性差异。

Ionic liquids for the nuclear industry: A radiochemical, structural, and electrochemical investigation

The applicability of ionic liquids within the nuclear industry has been investigated. The radiation stability of ionic liquids containing dialkylimidazolium cations has been tested through with alpha, beta and gamma irradiation. The results of these tests suggest that imidazolium salts have stabilities similar to alkylbenzenes and greater than tetrabutylphosphate / odorless kerosene (TBP/OK) mixtures. The oxidative dissolution of uranium dioxide and the anodic dissolution of uranium metal and plutonium metal have been carried out in various ionic liquid media (C) 2002 American Chemical Society.

Análisis de los intereses geoestratégicos de China y Estados Unidos en Corea del Sur tras el programa nuclear de Corea del Norte

La península coreana ha sido desde la Guerra Fría y a la actualidad una zona convulsionada por intereses políticos, económicos e ideológicos. Ese panorama obliga un análisis sobre la configuración y los cambios que se han dado entre las potencias actuales, China y Estados Unidos, desde la existencia de un programa nuclear norcoreano que afecta a Corea del Sur y la definición de los intereses de Beijin y Washington.

Integrating workplace exposure databases for occupational medicine services and epidemiologic studies at a former nuclear weapons facility

We outline methods for integrating epidemiologic and industrial hygiene data systems for the purpose of exposure estimation, exposure surveillance, worker notification, and occupational medicine practice. We present examples of these methods from our work at the Rocky Flats Plant?a former nuclear weapons facility that fabricated plutonium triggers for nuclear weapons and is now being decontaminated and decommissioned. The weapons production processes exposed workers to plutonium, gamma photons, neutrons, beryllium, asbestos, and several hazardous chemical agents, including chlorinated hydrocarbons and heavy metals. We developed a job exposure matrix (JEM) for estimating exposures to 10 chemical agents in 20 buildings for 120 different job categories over a production history spanning 34 years. With the JEM, we estimated lifetime chemical exposures for about 12,000 of the 16,000 former production workers. We show how the JEM database is used to estimate cumulative exposures over different time periods for epidemiological studies and to provide notification and determine eligibility for a medical screening program developed for former workers. We designed an industrial hygiene data system for maintaining exposure data for current cleanup workers. We describe how this system can be used for exposure surveillance and linked with the JEM and databases on radiation doses to develop lifetime exposure histories and to determine appropriate medical monitoring tests for current cleanup workers. We also present time-line-based graphical methods for reviewing and correcting exposure estimates and reporting them to individual workers.

Neutronics analyses for fast spectrum nuclear systems and scenario studies for advanced nuclear fuel cycles

The present PhD thesis summarizes the three-years study about the neutronic investigation of a new concept nuclear reactor aiming at the optimization and the sustainable management of nuclear fuel in a possible European scenario. A new generation nuclear reactor for the nuclear reinassance is indeed desired by the actual industrialized world, both for the solution of the energetic question arising from the continuously growing energy demand together with the corresponding reduction of oil availability, and the environment question for a sustainable energy source free from Long Lived Radioisotopes and therefore geological repositories. Among the Generation IV candidate typologies, the Lead Fast Reactor concept has been pursued, being the one top rated in sustainability. The European Lead-cooled SYstem (ELSY) has been at first investigated. The neutronic analysis of the ELSY core has been performed via deterministic analysis by means of the ERANOS code, in order to retrieve a stable configuration for the overall design of the reactor. Further analyses have been carried out by means of the Monte Carlo general purpose transport code MCNP, in order to check the former one and to define an exact model of the system. An innovative system of absorbers has been conceptualized and designed for both the reactivity compensation and regulation of the core due to cycle swing, as well as for safety in order to guarantee the cold shutdown of the system in case of accident. Aiming at the sustainability of nuclear energy, the steady-state nuclear equilibrium has been investigated and generalized into the definition of the ``extended'' equilibrium state. According to this, the Adiabatic Reactor Theory has been developed, together with a New Paradigm for Nuclear Power: in order to design a reactor that does not exchange with the environment anything valuable (thus the term ``adiabatic''), in the sense of both Plutonium and Minor Actinides, it is required indeed to revert the logical design scheme of nuclear cores, starting from the definition of the equilibrium composition of the fuel and submitting to the latter the whole core design. The New Paradigm has been applied then to the core design of an Adiabatic Lead Fast Reactor complying with the ELSY overall system layout. A complete core characterization has been done in order to asses criticality and power flattening; a preliminary evaluation of the main safety parameters has been also done to verify the viability of the system. Burn up calculations have been then performed in order to investigate the operating cycle for the Adiabatic Lead Fast Reactor; the fuel performances have been therefore extracted and inserted in a more general analysis for an European scenario. The present nuclear reactors fleet has been modeled and its evolution simulated by means of the COSI code in order to investigate the materials fluxes to be managed in the European region. Different plausible scenarios have been identified to forecast the evolution of the European nuclear energy production, including the one involving the introduction of Adiabatic Lead Fast Reactors, and compared to better analyze the advantages introduced by the adoption of new concept reactors. At last, since both ELSY and the ALFR represent new concept systems based upon innovative solutions, the neutronic design of a demonstrator reactor has been carried out: such a system is intended to prove the viability of technology to be implemented in the First-of-a-Kind industrial power plant, with the aim at attesting the general strategy to use, to the largest extent. It was chosen then to base the DEMO design upon a compromise between demonstration of developed technology and testing of emerging technology in order to significantly subserve the purpose of reducing uncertainties about construction and licensing, both validating ELSY/ALFR main features and performances, and to qualify numerical codes and tools.

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle Die vorgelegte Arbeit beschreibt vorbereitende Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen schwerer Elemente (Z>100) in einer mit Argon gefüllten Puffergaszelle. Dazu wurden am Element Erbium (Z=68), dem chemischen Homolog von Fermium (Z=100), zunächst in einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FT/MS) Reaktionen mit Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄) und Butylen (C₄H₈) untersucht und deren Reaktionskonstanten zu k(Er+O2)=(3,6±0,3)•10^-10cm³/s, k(Er+C4H8)=(1,3±0,1)•10^-10cm³/s gemessen. Für die Reaktion Er⁺+CH₄ wurde eine Obergrenze der Reaktionskonstante von k(Er+CH4)?,3•10^-15cm³/s bestimmt. Dieselben Reaktionen wurden anschließend in einer mit 60 mbar Argon gefüllten Puffergaszelle am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg studiert.Das in die Zelle eingeschossene Erbium wurde nach der Thermalisierung in einem zweistufigen Laserprozess resonant ionisiert. Diese Messungen führten zu gleichen Ergebnissen wie die FT/MS-Messungen (k(Er+O2)=3,3±0,4)•10^-10cm³/s, k(Er+CH4)?2•10^-17cm³/s). Die Reaktion von Erbium mit Butylen wurde ebenfalls beobachtet, eine Reaktionskonstante konnte jedoch nicht bestimmt werden. Die Reaktion von Erbium mit Sauerstoff wurde auch mit den direkt in die Puffergaszelle eingeschossenen Ionen ohne Laserionisation untersucht. Eine reproduzierbare Reaktionskonstante konnte nicht bestimmt werden, mögliche Ursachen werden diskutiert.Aus der Driftzeit der Ionen im Puffergas können Ionenmobilitäten bestimmt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Ionenradien und damit auch auf Bindungslängen in Molekülen. Zwischen Plutonium und Americium wurde bei einer Driftzeit von (1,88±0,01) ms ein Driftzeitunterschied von (0,07±0,02) ms gemessen und daraus eine relative Verringerung des Ionenradius von Americium gegenüber dem von Plutonium um (3,1±1,3)% bestimmt. Relativistische Rechnungen sagen für den atomaren Radius von Americium gegenüber Plutonium eine Kontraktion in gleicher Größenordnung voraus; für Ionenradien existieren zur Zeit noch keine Rechnungen. Aus den gemessenen Driftzeiten des Plutoniums von (1,85±0,01) ms und Plutoniumoxids von (2,38±0,01) ms wurde eine Zunahme des Ionenradius des Plutoniumoxids gegenüber dem Plutonium um (28±2)% bestimmt.Außerdem wurden Reaktionen von Ruthenium (Z=44) und Osmium (Z=76), beides chemische Homologe von Hassium (Z=108), mit Sauerstoff in der FT/MS-Apparatur untersucht, mit dem Ziel widersprüchliche Messungen der Reaktionskonstanten aufzuklären.

Speciation of Pu(III) in the environmental system humic substances-groundwater-kaolinite

For the safety assessments of nuclear waste repositories, the possible migration of the radiotoxic waste into environment must be considered. Since plutonium is the major contribution at the radiotoxicity of spent nuclear waste, it requires special care with respect to its mobilization into the groundwater. Plutonium has one of the most complicated chemistry of all elements. It can coexist in 4 oxidation states parallel in one solution. In this work is shown that in the presence of humic substances it is reduced to the Pu(III) and Pu(IV). This work has the focus on the interaction of Pu(III) with natural occurring compounds (humic substances and clay minerals bzw. Kaolinite), while Pu(IV) was studied in a parallel doctoral work by Banik (in preparation). As plutonium is expected under extreme low concentrations in the environment, very sensitive methods are needed to monitor its presence and for its speciation. Resonance ionization mass spectrometry (RIMS), was used for determining the concentration of Pu in environmental samples, with a detection limit of 106- 107 atoms. For the speciation of plutonium CE-ICP-MS was routinely used to monitor the behaviour of Pu in the presence of humic substances. In order to reduce the detection limits of the speciation methods, the coupling of CE to RIMS was proposed. The first steps have shown that this can be a powerful tool for studies of pu under environmental conditions. Further, the first steps in the coupling of two parallel working detectors (DAD and ICP_MS ) to CE was performed, for the enabling a precise study of the complexation constants of plutonium with humic substances. The redox stabilization of Pu(III) was studied and it was determined that NH2OHHCl can maintain Pu(III) in the reduced form up to pH 5.5 – 6. The complexation constants of Pu(III) with Aldrich humic acid (AHA) were determined at pH 3 and 4. the logß = 6.2 – 6.8 found for these experiments was comparable with the literature. The sorption of Pu(III) onto kaolinite was studied in batch experiments and it was determine dthat the pH edge was at pH ~ 5.5. The speciation of plutonium on the surface of kaolinite was studied by EXAFS/XANES. It was determined that the sorbed species was Pu(IV). The influence of AHA on the sorption of Pu(III) onto kaolinite was also investigated. It was determined that at pH < 5 the adsorption is enhanced by the presence of AHA (25 mg/L), while at pH > 6 the adsorption is strongly impaired (depending also on the adding sequence of the components), leading to a mobilization of plutonium in solution.

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.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

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

Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests

Plutonium is present in the environment as a consequence of atmospheric nuclear tests, nuclear weapons production and industrial releases over the past 50 years. To study temporal trends, a high resolution Pu record was obtained by analyzing 52 discrete samples of an alpine firn/ice core from Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m a.s.l.), dating from 1945 to 1990. The 239Pu signal was recorded directly, without decontamination or preconcentration steps, using an Inductively Coupled Plasma - Sector Field Mass Spectrometer (ICP-SFMS) equipped with an high efficiency sample introduction system, thus requiring much less sample preparation than previously reported methods. The 239Pu profile reflects the three main periods of atmospheric nuclear weapons testing: the earliest peak lasted from 1954/55 to 1958 and was caused by the first testing period reaching a maximum in 1958. Despite a temporary halt of testing in 1959/60, the Pu concentration decreased only by half with respect to the 1958 peak due to long atmospheric residence times. In 1961/62 Pu concentrations rapidly increased reaching a maximum in 1963, which was about 40% more intense than the 1958 peak. After the signing of the "Limited Test Ban Treaty" between USA and USSR in 1964, Pu deposition decreased very sharply reaching a minimum in 1967. The third period (1967-1975) is characterized by irregular Pu concentrations with smaller peaks (about 20-30% of the 1964 peak) which might be related to the deposition of Saharan dust contaminated by the French nuclear tests of the 1960s. The data presented are in very good agreement with Pu profiles previously obtained from the Col du Dome ice core (by multi-collector ICP-MS) and Belukha ice core (by Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Although a semi-quantitative method was employed here, the results are quantitatively comparable to previously published results.