The Safety Case for a radioactive waste repository in deep geological
formations requires detailed chemical and thermodynamic information on
the stored radionuclides in their relevant oxidation states. Although
a comprehensive summary of critically evaluated thermodynamic data is
available via the blue book series of the NEA-TDB (“Nuclear Energy Agency – Thermochemical Database”), the
majority of this data is limited to ambient conditions (Grenthe et al., 2020). In the case of the disposal of high-active, heat-producing waste, however, the near-field of the repository will experience increased temperatures at early operative phases for several hundred or a few thousand years. Radionuclides may come into contact with aquatic solutions or brines at elevated temperatures in the case of early canister failure. Besides other factors of the overall disposal concept (e.g. the geometry of the repository, type and amount of stored radionuclide inventories), host rock characteristics themselves limit the extent of the allowable temperature increase. For example, in clay formations the maximum temperature should stay at around or below
Increased temperatures will have a distinct impact on the geochemical
behaviour of radionuclides, potentially affecting their mobility and
retention in the near field. Besides reactions at the solid–liquid
interface (e.g. dissolution/precipitation reactions of the waste
matrix, sorption reactions of the radionuclides to surfaces),
complexation reactions with inorganic and organic ligands present in
the aqueous phase potentially affect migration behaviour of the
radionuclides. A quantitative thermodynamic description of these
processes requires standard stability constants (
Within this contribution, a critical overview on the recent advances in the field of high temperature studies of radionuclides in aqueous solutions will be given. Besides summarizing information on key technical aspects relevant for high temperature studies, the effect of increased temperatures on the complexation of trivalent actinides with chloride will be discussed in more detail in order to illustrate newly derived in-depth understanding of the impact of increased temperatures on the (geo)chemical behaviour of trivalent actinides on the molecular scale (Skerencak-Frech et al., 2014).
Der Sicherheitsnachweis für ein Endlager für
radioaktive Abfälle in tiefen geologischen Formationen erfordert
detaillierte chemische und thermodynamische Informationen über
die gelagerten Radionuklide in ihren relevanten
Oxidationsstufen. Zwar ist über die Bluebook-Reihe der NEA-TDB
(„Nuclear Energy Agency – Thermochemical Database“)
eine umfassende Zusammenfassung kritisch bewerteter
thermodynamischer Daten verfügbar, allerdings beschränkt
sich der Großteil davon auf Umgebungsbedingungen (Grenthe et
al., 2020). Bei der Entsorgung hochaktiver, wärmeerzeugender
Abfälle jedoch wird das nähere Umfeld des Endlagers in
frühen Betriebsphasen für mehrere hundert oder einige
tausend Jahre erhöhten Temperaturen ausgesetzt sein, bei welchen
Radionuklide im Falle einer frühen Beschädigung des
Kanisters mit wässrigen Lösungen oder Solen in Kontakt
kommen können. Neben anderen Faktoren des Endlagerkonzepts
(z. B. Geometrie des Endlagers, Art und Menge der gespeicherten
Radionuklide) begrenzen die Wirtsgesteinseigenschaften selbst das
Ausmaß der zulässigen Temperaturerhöhung. So sollte
beispielsweise in Tonformationen die Maximaltemperatur um oder unter
Erhöhte Temperaturen werden das geochemische Verhalten von Radionukliden deutlich beeinflussen und möglicherweise ihre Mobilität und das Rückhaltevermögen im näheren Umfeld beeinträchtigen. Neben Reaktionen an der Grenzfläche zwischen festen und flüssigen Phasen (z. B. Lösungs-/Fällungsreaktionen der Abfallgrundsubstanz, Sorptionsreaktionen der Radionuklide an Oberflächen) beeinflussen eventuell auch komplexbildende Reaktionen mit in der wässrigen Phase vorhandenen organischen und anorganischen Liganden das Migrationsverhalten der Radionuklide. Eine quantitative thermodynamische Beschreibung dieser Prozesse erfordert sowohl Standardstabilitätskonstanten (
In diesem Beitrag wird ein kritischer Überblick über die jüngsten Fortschritte im Bereich der Hochtemperaturstudien von Radionukliden in wässrigen Lösungen gegeben. Neben der Zusammenfassung der für Hochtemperaturuntersuchungen relevanten technischen Schlüsselaspekte wird der Einfluss erhöhter Temperaturen auf komplexbildende Reaktionen zwischen trivalenten Aktinoiden und Chlorid näher beleuchtet, um ein neu gewonnenes umfassenderes Verständnis des Einflusses erhöhter Temperaturen auf das (geo-)chemische Verhalten trivalenter Aktinoide auf molekularer Ebene zu veranschaulichen (Skerencak-Frech et al., 2014).