Restverunreinigungen beeinflussen die Stabilität von Wasserstoffatomen in bestrahltem Gibbsit: Studie

Während der Plutoniumproduktion im Kalten Krieg am heutigen Hanford-Standort des Energieministeriums im US-Bundesstaat Washington wurde Aluminium in großem Umfang als Brennstoffverkleidungsmaterial verwendet. Die bei der Kraftstoffverarbeitung anfallenden Abfallprodukte werden derzeit in unterirdischen Lagertanks gelagert, in denen Aluminium in Form von Böhmit und Gibbsit vorliegt.

Diese verstrahlten Brennstoffabfälle schaffen eine komplexe, extreme Umgebung, und in einer aktuellen Studie wurde untersucht, wie sich Spurenarten, in diesem Fall Rückstände aus synthetischen Vorläufern, auf das Vorhandensein von Radikalen in Gibbsit auswirken. Die Forscher untersuchten auch bestrahlten Böhmit, der für seine Fähigkeit bekannt ist, Wasserstoffatome einzufangen und zu stabilisieren. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Physikalische Chemie, Chemische Physik.

Die Untersuchung, wie Aluminium(oxy)hydroxide als radiolytische Substrate bei der Wasserstoffproduktion fungieren könnten, ist ein zentrales Forschungsinteresse für die Sicherheit des Energiesektors und die Dekarbonisierung. Es ist auch für die effektive Verwaltung und Lagerung radioaktiver Altabfälle von entscheidender Bedeutung.

Diese Studie zeigt, dass Wasserstoffatome, die durch Gammastrahlung in Gibbsit-Nanoplättchen erzeugt werden, durch restliche Verunreinigungen beeinträchtigt werden. Die Konzentration dieser in den Zwischengitterschichten von Gibbsit eingeschlossenen Wasserstoffatome ist geringer und zerfällt schneller als in Böhmit. Die Bereitstellung experimenteller Beweise für die Verhaltensunterschiede von Wasserstoffatomen in Gibbsit und Böhmit kann zur Klärung der hochkomplexen Natur radioaktiver Abfälle beitragen.

Die Erzeugung und Stabilisierung von durch Gammastrahlung induzierten Wasserstoffatomen in Gibbsit-Nanoplättchen wird direkt durch Restionen beeinflusst, die von verschiedenen während der Synthese verwendeten Vorläufern übrig bleiben, darunter Aluminiumnitrat (Al(NO3)3) und Aluminiumchlorid (AlCl3). Sowohl Gibbsit als auch Böhmit kommen in Altabfallgemischen am Standort Hanford vor. Daher untersuchte diese Studie auch die Stabilität von Wasserstoff in Böhmit, das Wasserstoffatome in seiner Struktur sowohl einfangen als auch stabilisieren kann.

Die diffuse Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformationsspektroskopie wurde verwendet, um Hydroxylgruppen in Gibbsit, der aus Nitrat- und Chloridvorläufern synthetisiert wurde, sowie Nitrat in Gibbsit aus Al(NO3)3 zu analysieren. Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigte das Vorhandensein von Chloridrückständen in AlCl3-basiertem Gibbsit. Während die Oberflächenkonzentrationen dieser Restionen (~0,4 Atomprozent Nitrat und ~0,6 Atomprozent Chlorid) zu niedrig waren, um die Masseneigenschaften von Gibbsit zu beeinflussen, waren sie signifikant genug, um die Reaktion des Materials auf Radiolyse zu beeinflussen.

Mithilfe verschiedener Strahlungsdosen untersuchte die Studie das Vorhandensein von Wasserstoffatomen in Gibbsit mittels paramagnetischer Elektronenresonanzspektroskopie. Alle Dosen erzeugten Wasserstoffatome im Cl-Gibbsit, während der NO3-Gibbsit keine nachweisbaren Wasserstoffatome enthielt. Dies weist darauf hin, dass zwar in beiden Fällen wahrscheinlich Wasserstoffatome gebildet werden, diese jedoch nur dann eingefangen werden, wenn kein Nitrat vorhanden ist.

Darüber hinaus enthielt Böhmit, der mit den gleichen Dosen bestrahlt wurde, weitaus höhere Konzentrationen an Wasserstoffatomen mit langsameren Grenzzerfallsraten (331 s-1 für Gibbsit im Vergleich zu 0,11 s-1 für Böhmit). Diese Ergebnisse deuten auf die überlegene Fähigkeit von Böhmit hin, Wasserstoffatome in seiner Kristallstruktur einzufangen und zu stabilisieren. Insgesamt tragen die hier dargestellten Ergebnisse dazu bei, experimentelle Beweise zu liefern, die unser Verständnis der extremen und komplizierten Umgebungen in verstrahlten Brennstoffabfällen verbessern.