Radiation damage in ABO4 minerals

Katja Ruschel

doi:10.25365/thesis.17044

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1279166

Title (eng)

Radiation damage in ABO4 minerals

Parallel title (deu)

Strahlenschädigung an ABO4 Mineralen

Author

Katja Ruschel

Advisor

Lutz Nasdala

Assessor

Zdenek Losos

Manfred Wildner

Abstract (deu)

Die vorliegende Arbeit fasst mehrere Teilstudien an strahlengeschädigten ABO4-Mineralen zusammen, die sich mit der Quantifizierung der Strahlenschädigung, ihrer Auswirkung auf die Materialeigenschaften und den in Folge häufig auftretenden Alterationsprozessen beschäftigen. Viele natürliche Minerale weisen eine Schädigung ihrer Struktur auf, die auf den radioaktiven Zerfall von Aktinoiden zurückzuführen ist. Eine solche Strahlenschädigung geht typischerweise mit Änderungen der Materialeigenschaften einher, wie allgemein verringerter physikalischer Stabilität und erhöhter chemischer Reaktivität. Die diesbezüglich neuen Ergebnisse sind sowohl für erdwissenschaftliche als auch materialwissenschaftliche Belange von Bedeutung. Die Eignung der Licht-Spektroskopie zur Charakterisierung der Gitter-Fehlordnung stand im Fokus zweier Teilstudien. So wurde für Monazit–(Ce) eine Methode entwickelt, um die Effekte von chemischer Zusammensetzung und struktureller Fehlordnung auf das Ramanspektrum auseinanderhalten zu können. Diese Methode bildet die Grundlage, um den Grad der Strahlenschädigung von natürlichem Monazit–(Ce) mit Hilfe der Ramanspektroskopie abzuschätzen. Für Zirkon hat sich die spektroskopische Evaluierung der Schädigung bereits seit längerem bewährt. Im Rahmen einer Studie wurde hier unter Verwendung einer Diamantstempelzelle nachgewiesen, dass eine spektroskopische Quantifizierung des Strahlenschädigungsgrades von Zirkon auch bei hohen Drücken möglich ist. In einer weiteren Teilstudie wurde ein moderat strahlengeschädigter, aber stark sekundär alterierter Monazit–(Ce) detailliert charakterisiert. Durch den Alterationsprozess kam es hier zu großen Verlusten an Thorium sowie dessen Ablagerung in Rissfüllungen. Dies führt zu einer kritischen Beurteilung der Eignung von Orthophosphaten als potentielle Wirtsmaterialien für die Lagerung radioaktiver Abfälle. Im Gegensatz dazu konnte die Fähigkeit des Minerals Fergusonit–(Y) zur Langzeit-Immobilisierung von Radionukliden anhand zweier umfassender Studien unterstrichen werden. Die untersuchten, hoch strahlengeschädigten Fergusonite–(Y) zeigten, ungeachtet der in einem Falle erfolgten intensiven chemischen Alteration, lediglich eine geringe Mobilität der enthaltenen Aktinoide. Raman- und lumineszenzspektroskopische Veränderungen beim thermischen Ausheilen von Monazit–(Ce) und Fergusonit–(Y) wurden mit jenen von strahlengeschädigtem Baddeleyit verglichen.

Abstract (eng)

This work summarises several individual studies on radiation-damaged ABO4 minerals that address aspects of the quantification of the radiation damage, its effects on material properties, and commonly occurring, subsequent alteration processes. Many natural minerals are characterised by structural damage that results from the radioactive decay of actinides. Such radiation damage is typically associated with property chances, including generally reduced physical stability and increased chemical reactivity. The insights gained are relevant for the Earth sciences as well as the materials sciences. Two individual studies have focused on the ability of light-spectroscopic techniques to characterise the lattice disorder. For monazite–(Ce), a method to distinguish between effects of the chemical composition and the structural disorder on the Raman spectrum was developed. This method will be the indispensable premise for the Raman-spectroscopic estimation of the degree of radiation damage of natural monazite–(Ce). In the case of zircon, the spectroscopic evaluation of the radiation damage is a well-established method that has proved useful in many cases already. In a DAC (diamond anvil cell) study it was verified that the degree of the radiation damage in zircon can be quantified based on spectroscopic parameters even if samples are affected by high pressures. In another study, a natural monazite–(Ce) sample that showed moderate radiation damage but heavy secondary alteration effects, was characterised in detail. It was found that a significant fraction of the thorium was released during the chemical alteration process, and re-deposited in fracture fillings. This leads to a critical assessment of the performance of orthophosphates as potential host materials for the storage of radioactive waste. By contrast, the ability of fergusonite–(Y) for the long-term immobilisation of radionuclides could be supported based on two detailed studies. The highly radiation-damaged fergusonite–(Y) samples investigated showed only a low mobility of the actinides incorporated, even though one of them had suffered severe chemical alteration. Raman- and luminescence spectroscopic changes observed upon thermal annealing of monazite–(Ce) and fergusonite–(Y) were compared to those of radiation-damaged baddeleyite.

Keywords (eng)

radiation damagespectroscopyRamanalterationmonazitefergusonitezircon

Keywords (deu)

StrahlenschädigungSpektroskopieRamanAlterationMonazitFergusonitZirkon

Subject (deu)

Subject (deu)

Subject (deu)

Type (deu)