Speciace vybraných vnitřně přechodných prvků v alkalickém prostředí pomocí metody TRLFS

Abstract

Znalost chemického chování klíčových radionuklidů je nezbytná pro bezpečné ukládání jaderného odpadu a konstrukci bariér, které zamezují šíření nebezpečných látek do životního prostředí. Významná část těchto radionuklidů patří mezi vnitřně přechodné prvky, které často vykazují fluorescenční vlastnosti závislé na chemické formě. Tato vlastnost činí metodu TRLFS (Time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy) vhodnou pro studium speciace těchto prvků vzhledem k jejich odlišným optickým vlastnostem. Tato práce se zaměřuje konkrétně na uran a europium: uran je sám o sobě významnou součástí odpadu generovaného jadernými elektrárnami, zatímco europium je zkoumáno jako chemický analog minoritních aktinoidů americia a curia. Bariéry běžně používané v dnešních jaderných úložištích jsou často konstruovány s pomocí materiálů na bázi cementu, které jsou charakterizovány silně alkalickým vnitřním pH. V současné době je k dispozici pouze malé množství výzkumů na téma chemického chování uranu a europia v alkalickém prostředí. V rámci této práce byly připraveny vzorky v rozsahu pH 4,2–12,4 pro uran a 5,2–12,2 pro europium a pomocí metody TRLFS byly získány emisní charakteristiky těchto vzorků. Jednotlivé specie přítomné ve vzorcích při různém pH byly identifikovány na základě dob dosvitu získaných matematickým proložením závislostí sumárních intenzit fluorescence na čase a popsány byly spektrální charakteristiky vzorků. Metoda se ukázala jako vhodná. Výsledky mohou být silně ovlivněny problémy specifickými pro alkalické pH, jako je zhášení uhličitanem a srážení málo rozpustných hydroxidů. Další výzkum beroucí v úvahu tyto efekty je nutný pro zpřesnění výsledků.

Understanding the chemical behavior of key radionuclides is essential to ensure the safe disposal of nuclear waste, helping to design appropriate barriers to stop potential spread of hazardous substances into the environment. Many key radionuclides are inner transition elements, which frequently exhibit fluorescence properties dependent on their chemical form. This makes time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy a suitable method for speciation analysis of these elements, due to their distinct optical properties. This work focuses specifically on uranium and europium: uranium is itself a significant component of waste generated by nuclear power plants, while europium is studied as a chemical analog of the minor actinides americium and curium. Barriers currently in use within nuclear waste disposal sites often employ cementitious materials, characterized by a strongly alkaline pH. At present, not much research is available concerning the behavior of the selected elements in alkaline conditions. In this work, samples were prepared in the pH range 4,2–12,4 for uranium and 5,2–12,2 for europium and emission characteristics of these samples were obtained using the TRLFS method. Individual species were identified at varying pH based on fluorescence lifetimes obtained by fitting the time dependence of total fluorescence intensity and spectral characteristics were described. The method was found to be suitable. The results may reflect the challenges encountered specifically due to alkaline conditions, such as quenching by carbonate and precipitation of weakly soluble hydroxides. Further study taking these effects into consideration is necessary for more precise results.