In biosphere safety assessment of spent nuclear fuel, the importance of radionuclides increases with their possibility to induce radiation dose for humans and other organisms in the future. The surface environment migration and sorption of 135Cs, 129I, 93m,94Nb and 79Se is of great importance since these radionuclides have been assessed to contribute to the potential radiation dose in the most realistic biosphere calculation cases. This doctoral thesis aimed to investigate the retention and behaviour of cesium (Cs+), iodine (I- and IO3-), niobium (Nb(OH)5) and selenium (SeO32- and SeO42-) in humus and rather undeveloped mineral soil of boreal forest on Olkiluoto Island when abiotic factors affecting the sorption reactions were varied. Factors affecting species transformations of iodine and selenium were also examined for the same soil samples and under the same experimental conditions.
Cesium retention was affected by e.g. incubation conditions, soil depth, pH, humus and mineralogy. Humus exhibited lower sorption of cesium than mineral soil, which was caused by mineral soil s relatively high muscovite content and the presence of Cs selective FES sites in muscovite interlayer spaces. Formation of slightly reducing soil conditions decreased soil retention of cesium, presumably caused by the formation of NH4+ ions and arisen competition of the FES sites. Increase in soil pH accelerated the retention of cesium on negatively charged surface sorption sites.
The highest retention of inorganic iodine forms iodide and iodate were observed in humus, as caused by sorption processes and speciation changes leading to presumable formation of organo iodine compounds in microbially mediated reactions. Iodine sorption on mineral soil was very low in aerobic and anaerobic soil conditions, even though acidic pH values increased the retention. Decrease in pH had similar effect for selenium (selenite) and niobium. For these two elements inorganic soil components, and especially weakly crystalline aluminium and iron oxides are considered important retentive phases due to inner sphere complexation with surface Al and Fe atoms.
Speciation of iodine showed considerable dependence on soil environment. Iodate was reduced to iodide especially in anaerobic soil conditions, low pH and in the presence of organic matter and microbial activity. No oxidation of iodide to iodate was detected. Formation of unidentified, presumable organo iodine compounds was observed in humus and mineral soil of low pH or varying incubation time. Inorganic selenium forms selenite and selenate proved to be persistent in the experimental conditions as no changes in selenium liquid phase speciation was observed irrespective of variation in incubation time, pH or redox potential.Radionuklidien merkitys käytetyn ydinpolttoaineen biosfäärin turvallisuusarvioinnissa kasvaa niiden ihmiselle sekä muille organismeille tulevaisuudessa mahdollisesti aiheutuvan säteilyannoksen todennäköisyyden kasvaessa. Radionuklidien 135Cs, 129I, 93m,94Nb ja 79Se pidättyminen eli sorptio sekä kulkeutuminen maapallon pintaympäristössä ovat merkittäviä prosesseja johtuen kyseisten nuklidien arvioidusta vaikuttavuudesta mahdolliseen säteilyannokseen kaikista realistisimmissa biosfäärin mallinnustapauksissa. Tässä väitöskirjatyössä tarkastellaan cesiumin (Cs+), jodin (I- ja IO3-), niobiumin (Nb(OH)5) sekä seleenin (SeO32- ja SeO42-) pidättymistä ja käyttäytymistä Olkiluodon pohjoisen metsämaan humuskerroksessa sekä melko kehittymättömissä mineraalimaakerroksissa kun sorptioon vaikuttavia abioottisia tekijöitä muunneltiin. Jodin ja seleenin kemiallisten muotojen pysyvyyteen vaikuttavia tekijöitä tutkittiin samoille maaperänäytteillä samoissa kokeellisissa olosuhteissa.
Cesiumin pidättymiseen maaperässä vaikutti mm. inkubaatio-olosuhteet, syvyys, pH, orgaanisen aineksen pitoisuus sekä mineralogia. Cesiumin sorptio humukseen oli alhaisempaa kuin mineraalimaahan johtuen mineraalimaan suhteellisen korkeasta muskoviittipitoisuudesta sekä Cs-selektiivisten FES-paikkojen läsnäolosta muskoviittikerrosten välitiloissa. Lievästi pelkistävien maaperäolosuhteiden syntyminen heikensi cesiumin pidättymistä, mikä todennäköisesti oli seurausta NH4+ ionien muodostumisesta sekä FES-paikoista kehkeytyneestä kilpailusta. Maaperän pH:n kasvu tehosti cesiumin pidättymistä negatiivisesti varautuneille pintasorptiopaikoille.
Epäorgaanisten jodin muotojen jodidin ja jodaatin tehokkain pidättyminen havaittiin humuksessa johtuen sorptioprosesseista sekä oletettavien organojodiyhdisteiden muodostumisesta mikrobivälitteisissä kemiallisen esiintymismuodon muutoksissa. Jodin sorptio mineraalimaahan oli hyvin alhaista sekä hapellisissa että hapettomissa maaperäolosuhteissa, vaikkakin tehokkaampaa pidättymistä havaittiin alhaisissa pH-arvoissa. Liuoksen pH:n alenemisella oli samanlainen vaikutus myös seleenille (seleniitti) sekä niobiumille. Näille kahdelle alkuaineelle maaperän epäorgaanisten komponenttien, ja erityisesti heikosti kiteytyneiden alumiinin ja raudan oksidien, ajatellaan olevan tärkeitä pidättäviä faaseja johtuen spesifisestä pidättymisestä sisäkompleksimuodossa pinnan Al- ja Fe-atomien kanssa.
Jodin spesiaatio osoitti huomattavaa riippuvuutta maaperäolosuhteista. Jodaatti pelkistyi jodidiksi erityisesti hapettomissa olosuhteissa, alhaisissa pH-arvoissa sekä orgaanisen aineksen pitoisuuden ja mikrobiaktiivisuuden kasvaessa. Jodidin hapettumista jodaatiksi ei havaittu. Tunnistamattomien, oletettujen organojodiyhdisteiden muodostumista havaittiin humuksessa sekä mineraalimaassa vaihtelevalla inkubaatioajalla tai alhaisissa pH-arvoissa. Seleenin epäorgaaniset muodot seleniitti ja selenaatti osoittautuivat kokeellisissa olosuhteissa pysyviksi, sillä muutoksia seleenin liuosfaasin spesiaatiossa ei havaittu huolimatta vaihtelusta inkubaatioajassa, pH-arvossa ja redox-potentiaalissa
