Synthese und Charakterisierung keramischer Samarium-Phosphat- und Samarium-Phosphosilicat-Phasen zur Immobilisierung von Actinoiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle wird in der Bundesrepublik Deutschland auf lange Sicht ein relevantes Thema für die Forschung bleiben. Zur Zeit wird das Ziel der direkten Endlagerung abgebrannter Brennelemente verfolgt. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, für spezielle Abfallströme (wie z.B. minore Aktinoide) alternative Matrices zur Immobilisierung der Radionuklide bereitzustellen. Für die minoren Aktinoide erscheint auch unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus diesem Projekt der Monazit-Strukturtyp aufgrund seiner Flexibilität gegenüber chemischem Ersatz und seiner relativen Strahlenbeständigkeit (gutes Rekristallisationsverhalten) eine geeignete keramische Matrix zur Immobilisierung zu sein. Wir konnten zeigen, dass sowohl der gekoppelte Ersatz (Ln3+ + P5+)↔ (Ac4+ + Si4+) im Monazitstrukturtyp zumindest für Ac = U, Th lückenlos möglich ist, als auch die Substitution von 2 Ln3+ ↔ Erdalkali2+ + Ln4+/Ac4+ prinzipiell vorgenommen werden kann. Für größere Erdalkali-Ionen wurde allerdings die Bildung von Erdalkali-Pyrophosphaten beobachtet, so dass hier eine vollständige Substitution nach obenstehendem Schema im Monazit-Typ nicht wahrscheinlich erscheint. Beide Ansätze sind von Belang, wenn man hohe Beladungen des Monazits mit vierwertigen Radionukliden der minoren Aktinoide erreichen möchte. Ausgewählte Einkristalle und sämtliche Pulverproben der dargestellten Systeme wurden über Röntgenbeugung charakterisiert. Pulverproben wurden ergänzend Raman- und IR-spektroskopisch untersucht. Die bereits dokumentierte Flexibilität des Monazit-Strukturtyps gegen chemischen Ersatz konnte hierbei prinzipiell bestätigt werden. In den untersuchten Systemen konnten keine strukturellen Auffälligkeiten beobachtet werden, die sich nicht durch relativ simple kristallchemische Überlegungen erklären ließen. Die Präparation, insbesondere der aktiven Proben, stellte sich jedoch als deutlich aufwendiger heraus als erwartet. Dies hatte direkte Auswirkungen auf die Zeitpläne für die meisten Charakterisierungs- und Modellierungs-AP dieses Projektes. Daher blieben einige der im ursprünglichen Antrag avisierten Charakterisierungsansätze unerledigt und sollten im Rahmen zukünftiger Arbeiten weiterverfolgt werden. Die Fragestellungen zum Verständnis der Strahlenschädigung der Kristallstrukturen und das Rekristallisationsverhalten haben nicht an Aktualität und wissenschaftlicher Relevanz verloren. Es zeigte sich im Rahmen dieses Projektes sehr deutlich, dass besonders in Europa die hierzu notwendigen technischen Infrastrukturen gegenwärtig nicht (oder nur sehr spärlich) vorhanden sind, so dass solch wichtige Arbeiten z.B. in die USA oder nach Australien verlagert werden müssten. Dies ist wiederum mit erheblichen logistischen Herausforderungen verbunden. Im Projektverlauf wurde darüber hinaus deutlich, dass Nachwuchsförderung im Bereich der Radionuklidchemie und im Umgang mit radioaktiven Substanzen auch in Deutschland nach wie vor sehr wichtig ist. Die in Jülich und Aachen begonnenen Arbeiten an Monazitphasen, mit und ohne Samarium in der Struktur, werden auch nach dem Projektende an beiden Standorten fortgeführt werden. So werden insbesondere in Jülich aktuell die Arbeiten an aktiven, Uran- (Raman-Spektroskopie) und Ce-haltigen Proben (XPS-Messungen) weitergeführt. In Aachen erfolgen derzeit weitere Struktur- und thermische Analysen an den inaktiven Phasen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Monazite as a suitable actinide waste form. Zeitschrift für Kristallographie / Crystalline materials 228 (3), 113-123 (2013)
H. Schlenz, J. Heuser, A. Neumann, S. Schmitz, D. Bosbach
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Raman and IR spectroscopy of Monazite-type Ceramics used for Nuclear Waste Conditioning, EMRS Spring Meeting 2013, Strasbourg, France, 05/27/2013 - 05/31/2013
J. Heuser, A. Bukaemskiy, S. Neumeier, A. Neumann, D. Bosbach
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Raman and IR spectroscopy of Monazite-type Ceramics used for Nuclear Waste Conditioning, Goldschmidt Conference 2013, Firenze, Italy, 08/25/2013 - 08/30/2013
J. Heuser, A. Bukaemskiy, S. Neumeier, F. Brandt, H. Schlenz, N. Dacheux, N. Clavier, A. Neumann, A. Hirsch, D. Bosbach
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Synthesis of monazite-type Sm(Ca,Ce)PO4 solid solutions, EMRS Spring Meeting 2013, Strasbourg, France, 05/27/2013 - 05/31/2013
A. Neumann, J. Zaddach, J. Heuser, H. Schlenz, L. Peters, D. Bosbach, G. Roth
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(La, Sr, Ce) and (Sm, Ca, Ce) Monazite Solid Solutions, 22th Annual Meeting of the German Crystallographic Society (DGK) Berlin 2014
A. Neumann, A. Hirsch, J. Heuser, P. C. Jung, J. Zaddach, S. Neumeier, H. Schlenz, D. Bosbach, L. Peters, G. Roth
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Performance of DFT+U Method for Prediction of Structural and Thermodynamic Parameters of Monazite-Type Ceramics. Journal of Computational Chemistry 35, 1339-1346 (2014)
A. Blanca-Romero, P. M. Kowalski, G. Beridze, H. Schlenz, D. Bosbach
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Phase relations in the binary system Sm 2O3 – P2O5, 22th Annual Meeting of the German Crystallographic Society (DGK) Berlin 2014
A. Neumann, A. Hirsch, J. Heuser, R. Faust, H. Schlenz, D. Bosbach, L. Peters, G. Roth
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Phase relations of the Solid Solutions Sm(Ca,Ce)PO 4 and La(Sr,Ce)PO4, Goldschmidt Conference 2014, Sacramento, California, USA
A. Neumann, A. Hirsch, J. Heuser, P. C. Jung, J. Zaddach, S. Neumeier, H. Schlenz, D. Bosbach, L. Peters, G. Roth
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Raman and infrared spectroscopy of monazite-type ceramics used for nuclear waste conditioning. Progress in nuclear energy 72, 149–155, (2014)
J. Heuser, A. Bukaemskiy, S. Neumeier, A. Neumann, D. Bosbach
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(La,Pr)PO4 – a model system for ceramic radioactive waste matrices, 23rd Annual Conference of the German Crystallographic Society, 2015 Göttingen, Germany
A. Hirsch, A. Neumann, C. Schausten, A. Thust, L. Peters, G. Roth
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High temperature investigation of the phase relations in the binary system Sm 2O3-P2O5, EMRS Spring Meeting Lille, France 2015
A. Neumann, L. Loison, J. M. Simons, F. Greffrath, C. Schausten, A. Hirsch, J. Heuser, L. Peters, R. Telle, G. Roth
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Syntheses and structural characterization of Sm x(Ca,Th)1-xPO4 and Smx(Ca,U)1-xPO4 solid solutions, MRS 2015 - Scientific Basic for Nuclear Waste Management, Montpellier, 2-6 November 2015, France
J. Dellen, S. Labs, H. Schlenz, D. Bosbach
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Synthesis, Structure and Properties of La1-xNdx(PO4) monazite-type solid solutions, EMRS Spring Meeting Lille, France 2015
H. Schlenz, J. Dellen, C. Gatzen, P. Kegler, C. Schreinemachers, A. Shelyug, A. Navrotsky, D. Bosbach
