Hydrothermal Reactions of Strontium and Transuranic Simulator Elements with Clay Minerals, Zeolites, and Shales

Abstract

Reactions of Sr, La, and Nd (the latter two elements simulating Am and Cm) with potential backfill minerals for radioactive waste storage and with repository wall rocks, such as shale, were investigated under simulated repository conditions of 200° and 300°C for 12 weeks under a confining pressure of 30 MPa. The solid and solution reaction products were characterized to determine the nature and extent of reaction. Chlorite, illite, kaolinite, montmorillonite, mordenite, and clinoptilolite and four shales removed as much as 61.2 and 98.5% of the added SrCl₂ and Sr(OH)₂ from solution, respectively, by ion exchange and/or by forming new strontium compounds such as SrAl₂Si₂O₈, Sr₂MgSi₂O₇, SrCO₃ (strontianite), and SrAl₂Si₄O₁₂·2H₂O (Sr-wairakite). The formation of these sparingly soluble Sr phases by the reaction of the soluble Sr compounds with such backfill materials indicates that the backfill may serve as a barrier during the thermal period of the waste in the life of a repository. These same minerals and shales removed as much as 99.99% of the added La or Nd from solution at 300°C by forming new phases such as LaOHCO₃, NdOHCO₃, and possibly La or Nd oxides and hydroxides. Zeolites reacted with La and Nd to form smectite. Thus, if La and Nd truly simulate the reactivity of Am and Cm, properly designed backfills can serve as a barrier to the migration of transuranic elements of nuclear wastes.

Резюме

Исследовались реакции Sr, La, и Nd (последние два элементы симулирующие Аm и Сm) с потенциальными минералами для засыпки хранилища радиоактивных отходов и с породами стен хранилища, такими как сданцеватые глины в условиях симулирующих хранилище, при температурах 200° и 300°C в течение 12 недель, при давлении 30 MПa. Твердые продукты реакции и продукты, выделенные из растворов, использовались. для определения природы и степени протекания реакции. Хлорит, иллит, каолинит, монтмориллонит, клиноптилолит, морденит, и четыре сланца удаляли из раствора 61,2 и 98,5% добавленных SrCl₂ и Sr(OH)₂, соответственно, путем обмена ионов и/или путем образования новых соединений стронция таких, как SrAl₂Si₂O₈, Sr₂MgSi₂O₇, SrCO₃ (стронцианит), и SrAl₂Si₄O₁₂·2H₂O (Sr-ваиракит). Образование этих едва растворяемых фаз Sr путем реакции растворяемых соединений Sr с такими засыпковыми материалами указывает на то, что засыпки могут служить в качестве барьера в течение термального периода отходов во время существования хранилища. Эти самые минералы и сланцы удаляли из раствора 99,99% добавленного La или Nd при 300°C путем образования новых фаз таких, как LaOHCO₃, NdOHCO₃, и, вероятно, окисей и гидроокисей La или Nd. Цеолиты реагировали с Lа и Nd, образуя смектит. Таким образом, если Lа и Nd действительно симулируют реактивность Аm и Сm, засыпки, приготовленные соответствующим образом, могут служить в качестве барьера перед миграцией трансурановых элементов ядерных отходов. [E.C.]

Resümee

Reaktionen von Sr, La, und Nd (die beiden letzten Elemente simulieren Am und Cm) mit möglichen Trägermineralen für die Lagerung radioaktiver Abfälle und mit lagerungsgesteinen, wie z.B. Schieferton, wurden unter simulierten Lagerungsbedingungen von 200°C und 300°C über 12 Wochen und bei maximalen Drücken von 30 MPa untersucht. Die festen Reaktionsprodukte und die Reaktionslösungen wurden untersucht, um die Art und das Ausmaß der Reaktion zu bestimmen. Chlorit, Illit, Kaolinit, Montmorillonit, Mordenit, und Klinoptilolith sowie Schiefertone entfernten bis zu 61,2 bzw. 98,5% des zugefügten SrCl₂ und Sr(OH)₂ aus der Lösung entweder durch Ionenaustausch und/oder durch die Bildung neuer Strontium-Verbindungen wie z.B. SrAl₂Si₂O₈, Sr₂MgSi₂O₇, SrCO₃ (Stronatianit), und SrAl₂Si₄O₁₂·2H₂O (Sr-Wairakit). Die Bildung dieser kaum löslichen Sr-Phasen durch die Reaktion von löslichen Sr-Verbindungen mit derartigen Trägerstoffen deutet darauf hin, daß die Aufnahme durch diese Minerale als Schranke während der thermischen Periode des Abfalles wirken kann. Die gleichen Minerale und Schiefertone entfernten bei 300°C bis zu 99,99% des zugefügten La oder Nd aus der Lösung durch die Bildung neuer Phasen, wie LaOHCO₃, NdOHCO₃, und möglicherweise La- oder Nd-Oxide und -Hydroxide. Zeolithe reagierten mit La und Nd unter der Bildung von Smektit. Wenn daher La und Nd wirklich die Reaktivität von Am und Cm simuliert, dann kann eine richtig durchgeführte Rückfüllung als eine Schranke gegen die Wanderung von Transuranen aus radioaktiven Abfällen wirken. [U.W.]

Résumé

Les réactions du Sr, La, et Nd (les deux derniers éléments simulants Am et Cm) avec des minéraux pouvant servir de rembourrage (backfill) pour le stockage de déchets radioactifs, et avec les surfaces des roches du milieu de depôt telles l’argilite, ont été etudiées sous des conditions de depôt simulées de 200°C et 300°C pendant 2 semaines sous une pression du milieu de 30 MPa. Les produits des réactions, solides et en solution, ont été identifiés pour déterminer la nature et l’étendue de la réaction. Chlorite, illite, kaolinite, montmorillonite, mordenite, et clinoptilolite, et quatre argilites ont extrait de la solution jusqu’à 61,2 et 98,5% du SrCl₂ et Sr(OH)₂ ajoutés, respectivement par échange ionique et/ou par formation de nouveaux composés de strontium tels que SrAl₂Si₂O₈, Sr₂MgSi₂O₇, SrCO₃ (strontianite), et SrAl₂Si₄O₁₂ · 2H₂O (Sr-wairakite). La formation de ces phases peu solubles du Sr par la réaction des composés solubles du Sr avec de tels éléments de rembourrage indique qu’il peut servir de barrière durant la période thermique du déchet dans le cycle d’un depôt. Ces mêmes minéraux et argilites ont extrait jusqu’a 99,99% du La ou Nd ajoutés, de solution à 300°C par formation de nouvelles phases telles LaOHCO₃, NdOHCO₃, et peutêtre d’oxydes et hydroxydes de La ou Nd. Les zéolites réagissent avec La et Nd pour former de la smectite. D’où, si La et Nd réflètent réellement la réactivité d’Am et de Cm, uu rembourrage approprié peut servir de barrière à la migration des éléments transuraniens des déchets nucléaires. [D.J.]