GRS FACHFORUM. Köln, 15. & 16. Juni Geochemisches Verhalten von Uran in Sedimentgesteinen am Standort Ruprechtov

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1 GRS FACHFORUM Köln, 15. & 16. Juni 2009 Geochemisches Verhalten von Uran in Sedimentgesteinen am Standort Ruprechtov Ulrich Noseck

2 Hintergrundnd Langzeitsicherheitsanalyse von Endlagern Ausbreitung von Radionukliden in Sedimentformationen Welche Rückhalteprozesse wirken während des Transports Verhalten über lange Zeiträume +40 NN NW Deckgebirge QUATERNARY SE SALT DOME TERTIARY GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

3 Komplexe e Systeme in der Natur Mikroorganismen Kolloide Organische Ablagerungen Sorbierte Kolloide Gelöste Ionen Redoxprozesse Sorption an reinen Oberflächen Ausfällung an der Oberfläche Biofilme Einbau in Kristallgitter GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

4 Warum natürliche Analoga? Modellansätze und Parameter für LZSA aus Labor- / In-situ Experimenten Lange Zeiträume und Komplexität natürlicher Systeme nicht vollständig abgedeckt Einblicke durch Studien Natürlicher Analoga Definition: Ein Analogon ist ein natürliches, oder anthropogenes System, dass die Untersuchung von solchen Prozessen ermöglicht, die in einem Endlager und seiner Umgebung eine Rolle spielen bzw. seine Entwicklung bestimmen können, (EC network: NAnet, 2005) GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

5 Wichtige Fragestellungen des Ruprechtov Projekts Welche Prozesse bestimmen das (Langzeit-)Verhalten von Uran in sedimentären Formationen? Mobilisierungs- i / Immobilisierungs-Prozesse i Wie ist die chemische Form (Speziation) des Urans Wie stabil sind die immobilen Uranphasen Welche Rolle spielen Kolloide (gelöste organische Kohlenstoffverbindungen DOC DOC ) und mikrobielle Prozesse? Welche Faktoren beeinflussen die Bildung organischer Kolloide? Welche Auswirkungen haben sie auf die Mobilität von Uran? Welche mikrobiellen Prozesse treten auf, wie relevant sind sie? GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

6 Geologie des Standorts Ruprechtov Water flow Pyroklastische Sedimente Kaolin Ton/Lignit (U-Anreicherung) Granit Tertiäre pyroklastische Sedimente Kaolin Granit 100 m GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

7 Anreicherung ng oder Mobilisierung von Uran? 234 U/ 238 U U Anreicherung S2 S1 U Mobilisierung Aktivitätsverhältnisse in der U-Zerfallsreihe Bohrkernanalysen weisen auf U- Anreicherung hin Segment S1: offenes System aus dem 234 U selektiv entfernt wurde Th/ 238 U GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

8 Stabilität der verschiedenen Uranphasen 234 U/ 238 U 2 234U U/238U 4.0 4, , , ,00 U(IV) / U(VI) Trennungsmethode U(VI) U(6) U(IV) U(4) U(res) 234U/238U 238 U Sequentielle Extraktion Step 1: Austauschbares U(VI) Step 2: Karbonate Step 4: U(IV) / org. gebunden Step 5: Rückstand , ,5 step1 step2 step4 step5 0,00 Bohrproben 0 NA U/ 238 U Aktivitätsverhältnisse als Indikator für die Stabilität U(IV): langzeitstabil (Millionen Jahre), Hauptanteil U(VI): Aktivitätsverhältnis im Grundwasser, in den letzten 100 ka entstanden GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

9 Uran-Immobilisierung ng (1) µ-xrf: 3D Elementverteilung mit räumlicher Auflösung von µm Fe korreliert mit As: FeAsS U korreliert mit As Redoxzustände As in Oxidationsstufen (0) und (V) U ist assoziiert mit As(V) Nur U(IV) beobachtet Uranverbindungen Phosphat-Mineralphasen Fe As U GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

10 Uran-Immobilisierung ng (2) Pyrit (FeS 2 ) Rasterelektronenmikroskopie µ-xrf: 120 x 120 μm 2 Aufnahme Fazit (2 x 4 μm 2 V H Schritte) -60 μm unterhalb der Oberfläche U(VI) Reduktion auf FeAsS-Schichten Bildung von U(IV)-Mineralphasen: Dünne FeAsS-Schichten auf FeS 2 U(IV) in der Umgebung von As Ningyoit, UO 2 Bestimmen auch heute U-Konzentration GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

11 Sind weitere Reaktionen von Relevanz? Analyse natürlicher Isotope Analyse von 2 H, 18 O δ 13 C, 14 C; δ 34 S in gelöstem Sulphat Identifizierung des Fließfelds und relevanter Prozesse Reaktionspfadmodellierung, Inverse geochemische Modellierung (Berücksichtigung c g der δ 13 Cund 14 C Sg Signaturen) Kohlenstoffchemie: DOC-Bildung und Einfluss auf die U-Mobilität DOC Charakterisierung, Wechselwirkung mit natürlichen Tonen SOC (Sedimentärer organischer Kohlenstoff) Charakterisierung Mikropetrographie, p Extraktionen, Freisetzungsexperimente Charakterisierung mikrobieller Spezies und ihres Einflusses GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

12 Rolle mikrobieller Prozesse (δ 34 S Analyse) Ton/Lignit NA7 NA12 NA4 NA6 NA14 δ 34 S δ 34 S Infiltrations tato gebiet NA8 RP1 NA δ 13 C 100 m Mikrobielle Sulfat-Reduktion 2CH 2 O + SO 2-4 = 2CO 2 + S H 2 O 34 S Anreicherung in gelöstem Sulfat Bildung von (framboidalen) Pyriten Erhaltung reduzierender Bedingungen GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

13 Rolle organischer Materie Bildung von DOC durch mikrobielle Zersetzung im Ton/Lignit- Horizont 34 S Signaturen Anstieg von DOC mit ansteigendem DIC und 13 C/ 14 C-Signaturen Hohe CO 2 -Partialdrücke Geringe DOC-Konzentration im Ton-/Lignit-Horizont Konzentration <5 mg/l Geringer Anteil an mobilisierbaren Huminstoffen im SOC Eingeschränkte hydraulische Zugänglichkeit Starke Sorption der Huminstoffe an den Mineraloberflächen kein direkter Einfluss auf Uranmobilität nachweisbar GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

14 Schlüsselprozesse esse im Ton/Lignit Horizontont UO 2 2+ PO 4 3- DOC As x+ FeAs(0)S U(IV)- Phosphate Amorph. UO 2, SOC Mikroben Mikroben SO 4 2- CO 2, HCO 3-4 Mikroben FeS 2 As(V) SIC GRS Fachforum, 15. & 16. Juni

15 Schlussfolgerungen und Ausblick Prozessverständnis Hohe Langzeit-Barrierewirkung der tertiären Sedimentschichten Tiefgehendes Verständnis der an der Uran-Immobilisierung beteiligten Prozesse in einem komplexen natürlichen System Uranreduktion und Bildung langzeitstabiler Mineralphasen Uran-Speziation und gute Beschreibung mit NEA-Datenbasis Wichtige Rolle mikrobieller Prozesse Rolle von organischem Material Geringer Einfluss auf die Uranmobilität (niedrige DOC-Gehalte) Großer Einfluss auf die Redoxbedingungen Erfolgreiche Entwicklung / Anwendung innovativer Methoden Ausblick: Auswirkungen von Veränderungen der geochemischen Bedingungen durch Kaolinabbau GRS Fachforum, 15. & 16. Juni