Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4237
Curtius, Hildegard
Untersuchungen zum Verhalten von Forschungsreaktor-Brennelementen (FR-BE) in den Wirtsgesteinsformationswässern möglicher Endläger
VI, 120 S., 2006
Aus dem vorliegenden Bericht „Untersuchungen zum Verhalten von Forschungsreaktor-
Brennelementen (FR-BE) in den Wirtsgesteinsformationswässern möglicher Endläger“ mit
dem Förderkennzeichen FZK 02 E9803, der im Zeitraum vom 01.11.2003 bis 31.10.2006
durchgeführt wurde, sind folgende Ergebnisse zu entnehmen:
Auslaugexperimente mit unbestrahlten, metallischen UAlx-Al- und U3Si2-Al-Dispersionsbrennelementen
wurden unter anaeroben Bedingungen bei 90 °C in Gegenwart von Eisen-II
(Hauptwerkstoff der Brennelementkontainer) in Salzlauge (Lauge 2), in Granitwasser (Äspö-
Typ) und in Tonporenwasser (Mont-Terri-Typ) durchgeführt. Im Hinblick auf das jeweilige
Auslaugmedium zeigten beide Brennelementtypen ein ähnliches Verhalten. Die aufgrund der
Korrosionsprozesse entstandene maximale Wasserstoffmenge liegt, bezogen auf die jeweilige
Oberfläche des Brennelementes, im Bereich zwischen 7,0E-05 bis 8,5E-05 mol/cm2. Beide
Brennelementtypen sind innerhalb eines Jahres vollständig korrodiert, wobei die
Korrosionsrate in Salzlauge doppelt so hoch ist, wie in den schwächer mineralisierten
Wässern. Diese erhöhte Korrosionsrate kann durch den höheren Chloridgehalt und den
geringeren pH-Wert erklärt werden. Im Hinblick auf eine Endlagerung kann für beide
Brennelementtypen von einer sofortigen Auflösung in allen drei untersuchten
Formationswässern ausgegangen werden. Identisch geplante Auslaugversuche mit bestrahlten
Brennelementen sind erst vor kurzer Zeit angesetzt worden und daher liegen noch nicht
genügend Daten vor, aus denen sich verlässliche Tendenzen ableiten lassen.
Sekundäre Phasen, die bei der vollständigen Korrosion eines bestrahlten U/Al-Al-
Brennelementes in Salzlauge unter anaeroben Bedingungen entstanden waren (vorherige
Projektphase-II, Förderkennzeichen: 02E9108), wurden elementspezifisch analysiert,
aliquotiert und unter aeroben Bedingungen mit unterschiedlichen Auslaugmedien behandelt.
Deutlich zeigte sich, dass Cs, Sr sowie Tritium mobile Radionuklide darstellen. Die Mobilität
der Radionuklide Am und U wurde durch die aeroben Versuchsbedingungen hervorgerufen.
Am bildet leicht lösliche Am-III-carbonylkomplexe und Uran-IV geht in U-VI über, wobei
die U-VI-Verbindungen leicht löslich sind. Lediglich Pu veränderte sein immobiles Verhalten
nicht, sehr wahrscheinlich aufgrund gebildeter Hydroxy- bzw. Oxy-Polymeren, die nahezu
unlöslich sind.
Als ein kristalliner Bestandteil der sekundären Phasen konnte bereits in der vorherigen
Projektphase ein Mg-Al-Cl-Hydrotalkit identifiziert werden. Erfolgreich wurde jetzt eine
Synthese durchgeführt und die Rückhalteeigenschaften sowohl für kationische als auch für
anionische Radionuklidspecies überprüft. In der endlagerrelevanten Salzlauge (Lauge 2)
wurde für Selen in chemischer Form als divalentes Selenit eine Rückhaltung beobachtet. Die
monovalenten, anionischen Species Pertechnetat und Iodid wurden in der endlagerrelevanten
Salzlauge durch den Mg-Al-Cl-Hydrotalkit nicht zurückgehalten, da die Affinität des
konkurrierenden Chlorides bezüglich des Hydrotalkites zu hoch ist. Für die kationischen
Radionuklidspezies Am, Eu und Th übt der Hydrotalkit eine Rückhaltung aus und die
Sorptionsenergien liegen im Bereich von Ionenaustauschprozessen.
From the present report „Untersuchungen zum Verhalten von Forschungsreaktor-
Brennelementen (FR-BE) in den Wirtsgesteinsformationswässern möglicher Endläger“ with
the code number FZK 02 E9803 carried out in the time period 01.11.2003 till 31.10.2006 the
following results can be withdrawn:
Leaching experiments with non-irradiated U/Al- and U3Si2-Al-dispersed fuel elements were
performed at 90°C in salt brine solution (brine 2), in clay pore water (Mont-Terri-type) and in
granite water (Äspö-type) in the presence of iron-II (iron is the basic material of the fuel
container) under anaerobic conditions. With respect to the used leaching solution both fuel
types showed a similar behaviour. Due to the corrosion processes the formed hydrogen
amount, corresponding to the surface of the fuel element, was in the range between 7.0E-05 to
8.5E-05 mol/cm2. Both fuel types corroded completely within one year, whereas the corrosion
rate in salt brine was double as high as compared to the lower concentrated waters. This high
corrosion rate can be explained by the higher amounts of chloride and the lower value in pH.
Nevertheless, in view of final disposal, the assumption can be drawn, that both fuel types will
corrode instantaneously in these three aquatic phases. Identical leaching experiments with
irradiated fuel elements are started recently but the present data are not sufficient yet to
predict reliable tendencies.
Secondary phases which were formed after a complete corrosion of an irradiated U/Al-Al fuel
element in brine 2 solution (precursory project-II, code-number: 02E9108) were analysed for
elemental composition and aliquots were taken and treated with different leaching solutions
under aerobic conditions. Clearly Cs, Sr and tritium represent mobile radionuclides. The
mobilisations of U and Am were created by the aerobic conditions. Am forms soluble Am-IIIcarbonyl-
complexes and U-IV change to U-VI, whereas the U-VI-compounds are lightly
soluble. Simply the immobile behaviour of Pu did not change, probably due to the formation
of nearly insoluble hydroxyl- or oxy-polymers.
As a crystalline component of the secondary phases a Mg-Al-Cl-hydrotalcite was identified in
the last project phase. Now, a synthesis was performed successfully and the retardation of
anionic and cationic radionuclide species was verified. In the repository relevant salt brine
solution (brine 2) a retardation was observed for selen, present in the divalent chemical form
as selenite. The monovalent anionic radionuclide species, pertechnetate and iodide were not
retarded by the Mg-Al-Cl-hydrotalcite in brine 2 solution. The affinity of the competing
anion, chloride, towards the hydrotalcite is higher. With respect to the cationic radionuclide
species Am, Eu, Th a retardation was performed by the hydrotalcite and the energies of
sorption were determined to be in the ranges of ion exchange processes.
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