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Manuel Eibl
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Promotionsarbeiten


Einbau von Aktiniden in Zirkonium-haltige Phasen: Spektroskopische Untersuchungen von Aktinid-Zirkonia „Solid solutions“.


Promotionsstudent:
Manuel Eibl
Betreuer:
Prof. Dr. Thorsten Stumpf, Dr. Nina Huittinen (HZDR)
Abteilung:
Grenzflächenprozesse
Zeitraum:
12/2016–11/2019


Zirkonium(IV)-oxid ist ein Korrosionsprodukt der Zircalloy Ummantelung von Kernbrennstäben. In einem atomaren Endlager für abgebrannten Kernbrennstoff in welchem es zum Kontakt der UO2-Keramiken und der Ummantelungen mit Wasser kommt, können bei der Bildung von Zirkonia (ZrO2) Reaktionen mit gelösten Radionukliden aus den Brennstäben auftreten. Untersuchungen zum Einbau von Aktiniden in die besonders Korrosions- und Bestrahlungsresistente ZrO2-Matrix wurden bereits durchgeführt, wobei hierbei die Konditionierung von radioaktiven Abfall, also die Radionuklid Immobilisierung in einer Zirconia-Matrix durch Hochtemperatur Kalzinierung oder Sinterung mit dem Ziel der Langzeit Lagerung, im Fokus steht. Aufbauend darauf wird in dieser Dissertation der Einbau unter Endlagerbedingungen, wo die Auflösung, Kopräzipitation und folglich der Einbau von Aktiniden in Zirconia unter erhöhten Temperaturen auftreten, untersucht, weshalb neben Hochtemperatur- auch Hydrothermalsynthesen durchgeführt werden.

ZrO2 besitzt bei Umgebungsbedingungen eine monokline Kristallstruktur, jedoch kann es durch einige Metall Ionen wie Y3+, Ca2+, Lanthanid oder Aktinid Ionen in seinen Hochtemperaturphasen stabilisiert werden. Deshalb wird der Einfluss der Synthesebedingungen sowie der Metall Ion Konzentration auf die Zirkonia Struktur und den Nukleationsprozess untersucht, wobei die PXRD zur Analyse der Kristallphasen und spektroskopische Methoden um Informationen über die lokale Umgebung der eingebauten Aktinide erhalten zu können, kombiniert werden. Der Einbau dreiwertiger Aktinide sowie Cm3+ oder ihrer Lanthanid Analoga (z.B. Eu3+) wird mittels der zeitaufgelösten Laser Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) untersucht. Zur Untersuchung vierwertiger Aktinide (Th4+, U4+ und Pu4+) wird die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) durch TRLFS (U4+) und/oder IR (oxidierte Form von U und Pu) Techniken ergänzt. Abschließend werden die Struktur und die Redoxstabilität von Aktinid-haltigen Zirkonia Phasen im Verlauf der Zeit, sowie die Stabilität synthetisierter Phasen unter Alphapartikel Bestrahlung untersucht.

Die Dissertation erfolgt in Kooperation mit der Universität Manchester.


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