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„Die INE-Beamline zur Actinidenforschung an ANKA“Arbeitsgruppe des Autors

Melissa A. Denecke

Das Institut für Nukleare Entsorgung (INE) des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) betreibt seit 2005 ein speziell für Untersuchungen an Actiniden und anderen radioaktiven Materialien ausgerüstetes Strahlrohr ("INE-Beamline"; Siehe hier) an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA auf dem Campus Nord. An der INE-Beamline können radioaktive Proben bis zum 106-fachen der Freigrenze untersucht werden. Zusammen mit den benachbarten radiochemischen Laboratorien des INE und den dort verfügbaren experimentellen Möglichkeiten und analytischen Methoden ist diese Einrichtung einzigartig in Europa und stellt ein äußerst leistungsfähiges Instrumentarium für die Forschung auf dem Gebiet der Geochemie der Actiniden und der Grundlagenforschung im Bereich der 5f-Elemente dar.
Bei Langzeitsicherheitsbetrachtungen für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle spielen die Actiniden eine entscheidende Rolle, da sie über sehr lange Zeiträume den Hauptbeitrag zur Radiotoxizität der Abfälle liefern. Voraussagen zur Radionuklidfreisetzung über so große Zeiträume, wie sie für Langzeitsicherheitsanalysen gefordert werden, lassen sich nicht durch die zeitliche Extrapolation makroskopisch beobachteter Phänomene erhalten sondern können nur durch das Verständnis der molekularen Prozesse erfolgen (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung einiger möglicher Reaktionen/Prozesse, die das Migrationsverhalten von Radionukliden bestimmen. Röntgenspektroskopische Speziationsuntersuchungen liefern Informationen bezüglich dieser Prozesse auf molekularer Ebene.

Die Kenntnis des physikalisch/chemischen Zustands (der "Speziation") von Actiniden unter den geochemischen Bedingungen ist dabei von ausschlaggebender Bedeutung. Hier kann die Röntgenabsorptionsspektroskopie wichtige Beiträge liefern, da die Analyse der mit der Röntgenabsorption verbundenen Feinstruktur (XAFS - "X-ray Absorption Fine Structure") eine leistungsfähige Technik zur Untersuchung der Actinid-Speziation auf molekularer Ebene ist. Dem wurde mit dem Bau der INE-Beamline Rechnung getragen (Abbildung 2).

Abbildung 2:
Oben: Schematischer Aufbau der INE-Beamline an ANKA. Synchrotronlicht von einem Ablenkmagneten ("Bending Magnet") im ANKA-Speicherring ("Storage Ring") dient als Quelle. Zur Auswahl der gewünschten Röntgenlicht-Wellenlänge wird ein Kristallmonochromator (DCM - "Double Crystal Monochromator") verwendet. Die zwei Spiegelsysteme ("Mirror 1" und "Mirror 2") dienen zur Strahlkollimierung und Fokussierung.
Rechts: Experimenteller Aufbau.

Kurze Historie:

Die experimentellen Einrichtungen der INE-Beamline ermöglichen Messungen der Röntgenabsorption und verwandte Untersuchungen (z.B. solche mit einem mikrofokussierten Röntgenstrahl, Abb. 3, unter streifenden Einfall (GIXAFS), Abb. 4, oder mit einer besonders hohen Energieauflösung, Abb. 5) in einem Energiebereich, der sich von der K-Absorptionskante des Phosphor bei ca. 2.1 keV bis zur L1-Absorptionskante des Plutonium bei ca. 23.1 keV erstreckt. Der Zugang zur INE-Beamline ist durch das ANKA Proposal-System zur Strahlzeitvergabe an externe Nutzer möglich. Die Experimentierstation ist auch eine "Pooled Facility" innerhalb des Network of Excellence in Actinide Science (ACTINET) der EU.

Abbildungen 3-5:
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XAFS Spektroskopie:

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie ist eine elementspezifische Methode zur Bestimmung der strukturellen Nahordnung, der Oxidationsstufen sowie der elektronischen Struktur von Atomen. In einem XAFS-Experiment wird die Änderung des Absorptionskoeffizienten bei variierender Energie der Röntgenstrahlung gemessen. Zur Anregung der Probe dient in der Regel die hochintensive monochromatisierte Synchrotronstrahlung eines Elektronen- oder Positronenspeicherrings, wie z.B. der ANKA im FZK. XAFS-Spektren werden in zwei Energiebereiche unterteilt (Abbildung 6), XANES (oder "X-ray Absorption Near Edge Structure") und EXAFS ("Extended X-ray Absorption Fine Structure"). Aus der Frequenz und der Amplitude der EXAFS-Oszillationen kann man interatomare Abstände (R) sowie Anzahl (N) und Art von benachbarten Atomen bestimmen. Der XANES-Bereich liegt bei Photonenenergien nahe dem Ionisationspotential des zu untersuchenden Elementes und beinhaltet u. a. Informationen zum Valenzzustand und der Koordinationsgeometrie.

Abbildung 6: Einteilung der Röntgenabsorptionsspektrum in XANES- und EXAFS-Bereich sowie deren Informationsgehalt anhand des Beispiels von U L3 Spektren von Uranoxiden.

Anwendungsbeispiele:

Strukturuntersuchungen zur Selektivität von Bis-triazinyl-pyridinen:

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Abbildung 8: anklicken zur vergrösserten Ansicht
Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts werden Verfahren untersucht, um diejenigen Radionuklide aus abgebrannten Kernbrennstoffen abzutrennen, die für die Langzeitradiotoxizität verantwortlich sind. Dies sind Plutonium und die Minoren Actiniden Neptunium, Americium und Curium. Ein Schlüsselschritt ist dabei die Trennung von Americium und Curium von den sich chemisch ähnlich verhaltenden Lanthaniden.
Mit dem am INE entwickelten hochselektiven Extraktionsmittel Di(5,6-dipropyl-1,2,4-triazin-3-yl)pyridin (BTP) gelang es, Americium und Curium aus salpetersaurer Lösung mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion von den Lanthaniden abzutrennen. Um die hohe Selektivität dieses über Stickstoffatome bindenden Komplexbildners zu verstehen, wurden vergleichende Untersuchungen an mit BTP- komplexiertem Curium und Europium in organischer Lösung mittels EXAFS durchgeführt (Abbildung 7). Dabei wurde die aus Röntgenbeugungsuntersuchungen bekannte Struktur des Ce(III)-BTP-Komplexes und die aus theoretischen Berechnungen abgeleitete Struktur des Cu(III)-BTP-Komplexes bestätigt, d.h. eine Neunfachkoordinierung über drei je dreizähnige BTP-Liganden (Abbildung 8). Überraschenderweise zeigten sich mit EXAFS keine strukturellen Unterschiede zwischen dem Curium- und dem Europiumkomplex, wie sie aufgrund einer postulierten höheren Kovalenz im Curiumkomplex zu erwarten wären.[2]

Abbildung 7: Cm L3-EXAFS für mit dem Extraktionsmittel BTP komplexiertes Cm(III) und Anpassung der ersten zwei Koordinationsschalen.

Pu(IV)-Hydrolyse:

Die Löslichkeit von vierwertigem Plutonium (Pu(IV)) im wässrigen Medium ist aufgrund der Bildung schwerlöslicher Hydroxide bzw. Oxide sehr gering (etwa 10-10 mol/L). Diese Hydroxide bzw. Oxide zeigen jedoch eine hohe Tendenz zur Bildung von kolloidalen Partikeln im nm-Bereich, die die Pu-Konzentration in der mobilen wässrigen Phase um mehrere Größenordungen erhöhen können. Die Bestimmung von Bildung, Menge und Stabilität solcher aquatischen Pu(IV)-Kolloide ist damit entscheidend für die Voraussage des Migrationsverhaltens von Pu(IV). Wir konnten die Struktur der Pu(IV)-Kolloide, die sich durch die Hydrolyse-Reaktion des Pu4+-Kations bei verschiedenen pHc-Werten von 0 bis 1,75 bilden, aus ihren Pu EXAFS-Spektren ableiten.[3]

Plutonium L3-EXAFS (Abbildung 9) für wässrige Pu(IV) Proben mit steigendem pHc-Wert zeigt folgende Trends: die erste Pu-O-Koordinationsschale (O: Sauerstoff) wird asymmetrisch, während die Amplitude der zweiten Pu-Pu Koordinationsschale (bei R-D ~ 3.6 Å) steigt. Die Asymmetrie der Pu-O-Schale deutet auf die Bindung von unterschiedlichen Liganden (-O-, -OH, OH2) am Pu(IV) hin. Die in allen Spektren vorhandene Pu-Pu-Wechselwirkung deutet auf das Vorhandensein eines eher starren -Pu-O-Pu-Gerüsts in der Struktur der Kolloide hin. Die Simulation der Daten zeigt deutlich, dass das -Pu-O-Pu-Gerüst der Kolloide sich von der Struktur des PuO2 (CaF2-Gitter: kubisch flächenzentriert) ableitet und aus defektreichen, kubischen Pu-Untergittern besteht.
Durch die Kombination der aus EXAFS gewonnenen Strukturinformationen mit Ergebnissen von LIBD- ("laser induced breakdown detection")-Messungen ist es möglich, einen Mechanismus der Pu-Kolloid-Bildung zu postulieren. Aus den LIBD-Untersuchungen ist bekannt, dass die hydrolytische Bildung der Kolloide mit einer Abgabe von zwei Protonen verbunden ist. Wir schlagen einen Mechanismus vor, in dem sich die Pu-Kolloide durch Agglomeration kleiner Pu-Oxyhydroxid-Oligomere (PunO2n-x(OH)2x(H2O)z) formieren (Abbildung 10). Die Oligomere werden aus der sukzessiven Kondensation von monomeren Einheiten (Pu(OH)2(H2O)62+), die über ihre Quader-Kanten verknüpft sind, unter Abgabe von zwei Protonen je Pu4+-Ion gebildet. Die Asymmetrie der Pu-O-Schale folgt direkt aus diesem Mechanismus. Kondensationsreaktionen solcher kubischen Einheiten und Agglomeration der entstehenden Oligomeren führen automatisch zu einer dreidimensionalen Struktur mit einem kubischen Pu-Untergitter.

Abbildung 9: Pu L3-EXAFS wässriger Pu(IV) Lösungen (1mM) bei variierendem -log[H+].

Abbildung 10: Schematische Darstellung der Agglomeration eines Pu2O2(OH)6(H2O)6-Dimers mit einem Pu3O4(OH)4(H2O)12-Trimer.

Zusammenfassung:

An der INE-Beamline der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA am Karlsruhe Institute of Technology können Speziationsuntersuchungen an Actiniden und anderen Radionukliden mit röntgenspektroskopischen Methoden durchgeführt werden. Zusammen mit den benachbarten radiochemischen Laboratorien des INE und den dort vorhandenen spektroskopischen und analytischen Methoden sowie der großen Expertise des INE im Bereich der Chemie und Spektroskopie der Actiniden steht hier ein in Europa einzigartiges Instrumentarium für die Actiniden-Forschung zur Verfügung. Dieses trägt entscheidend zum Verständnis fundamentaler Prozesse bei, die das Migrationverhalten der Actiniden bestimmen und liefert damit wichtige Bausteine für einen geochemisch fundierten Langzeitsicherheitsnachweis für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle.


Kontakt:
  • Dr. Melissa A. Denecke
    Forschungszentrum Karlsruhe
    Institut für Nukleare Entsorgung
    Postfach 3640
    76021 Karlsruhe
    Tel.: +49 (0)7247 825536
    Fax: +49 (0)7247 823927
    E-Mail: melissa@ine.fzk.de
Literatur:
  • [1] H.-R. Cho, C. Walther, J. Rothe, V. Neck, M.A. Denecke, K. Dardenne, Th. Fanghänel, Combined LIBD and XAFS Investigation of the Formation and Structure of Zr(IV) Colloids, invited "Hot Topic" contribution to Anal. Bioanal. Chem (in print).

  • [2] M.A. Denecke, A. Rossberg, P.J. Panak, M. Weigl, B. Schimmelpfennig, A. Geist Characterization and comparison of Cm(III) and Eu(III) complexed with i-C3H7-2,6-di(1,2,4-triazin-3-yl)pyridine using EXAFS, TRFLS, and quantum chemical methods, Inorg. Chem. (in print).

  • [3] J. Rothe, C. Walther, M.A. Denecke, Th. Fanghänel, XAFS and LIBD Investigation of the Formation and Structure of Pu(IV) Hydrolysis Products, Inorg. Chem 43, 4708-4718 (2004).