Abteilung Thermodynamik der Aktiniden

Forschung

Die Abteilung „Thermodynamik der Aktiniden“ beherbergt einen bedeutenden Teil des analytischen Rückgrats der Institute, z. B. Massenspektrometrie, Atomemissionsspektrometrie, Elementaranalysen, Pulverdiffraktometrie, Vibrations- und Kernresonanzspektroskopie. Dies ermöglicht es uns, mehrere Schritte in der thermodynamischen Wertschöpfungskette zu bearbeiten.

Aus chemischer Sicht liegt der Schwerpunkt auf Schwermetallkontaminationen, insbesondere auf langlebigen Radionukliden. Die Ableitung von Parametern, die Hydrolyse, wässrige Komplexierung, Oberflächenreaktionen oder Löslichkeiten beschreiben, wird mit Strukturuntersuchungen kombiniert, um die speziesbildenden Reaktionen zu validieren und mechanistische Modelle zu ermöglichen. Solche Parameter werden nach der Verifizierung in entsprechende Datenbanken eingespeist. Verbleibende Lücken können durch die Anwendung verschiedener Schätzmethoden geschlossen werden, von Mineralanalogien bis hin zu linearen Beziehungen der freien Energie.

In Kombination mit Felddaten (mineralogische Zusammensetzung, Porosität, pH-Wert, Redoxpotenzial, Ionenstärke, Temperatur oder CO₂-Partialdruck) können dann geochemische Speziationsmuster und Radionuklidverzögerung für komplexe Systeme auf verschiedenen Skalen berechnet werden. Um nur einige Beispiele zu nennen, haben wir an zementartigen Barrieren mit organischen Zusätzen, mit realen kristallinen Proben oder mit Böden aus Tschernobyl gearbeitet. Auch hier hilft die Geostatistik, die beobachteten Heterogenitäten abzubilden, und Sensitivitäts- bzw. Unsicherheitsanalysen erhöhen nicht nur das Vertrauen in die Berechnungsergebnisse, sondern unterstützen auch die Identifizierung kritischer Parameter und Teilmodelle.

Vor kurzem wurden diese Ansätze durch Methoden des maschinellen Lernens ergänzt, was schließlich zu digitalen Zwillingen für Atommülllager führte. Auf diese Weise soll die Distanz zwischen atomistischen Untersuchungen und der großmaßstäblichen Prognostik überbrückt werden, die z. B. bei der Leistungsbewertung über Entfernungen von mehreren Kilometern und über einen Zeitraum von bis zu einer Million Jahren erforderlich ist.

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte unserer Abteilung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Spektroskopische Charakterisierung von Schwermetallspezies in wässrigen Lösungen und an Mineraloberflächen.
• Entwicklung und Parametrisierung von Modellen zur Beschreibung von Oberflächenkomplexierungsphänomenen in komplexen Systemen (z. B. natürlichen Tonen).
• (Radio)chemische Analysen von kontaminierenden Elementen sowie von Matrixverbindungen bis hin zum Ultratracer-Niveau.
• Aufbau von thermodynamischen Datenbanken für potentielle Tiefenlager für nukleare Abfälle.

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Team

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Mitarbeiter
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Prof. Dr. Vinzenz Brendler	801/P250	2430	v.brendler@hzdr.de
Rodrigo Castro Biondo			r.castro-biondohzdr.de
Alexandra Duckstein	801/P153	2774	a.ducksteinhzdr.de
Dr. Jerome Kretzschmar	801/P207	3136	j.kretzschmarhzdr.de
Dr. Elmar Plischke			e.plischkehzdr.de
Dr. Anke Richter	801/P202	2426	anke.richterhzdr.de
Raj Sarkar	801/P103	2720	r.sarkarhzdr.de
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Salim Shams Aldin Azzam	801/P103	2720	s.shamshzdr.de
Claudia Sieber			c.sieberhzdr.de
Susanne Zechel	801/P352	3328	s.zechelhzdr.de
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Sabrina Beutner	801/P203	2429 2528	s.beutnerhzdr.de
Tim Gitzel	801/P316	2025 2517	t.gitzelhzdr.de
Dominik Goldbach	801/P203	3198	d.goldbachhzdr.de
Karsten Heim	801/P201	2434 2504	k.heimhzdr.de
Sylvia Schöne	850/102.1	2526 3198	s.schoene@hzdr.de, s.schoenehzdr.de