Working Report 2011-04 Sorption of Iodine, Chlorine, Technetium and Cesium in Soil Mervi Söderlund, Merja Lusa, Jukka Lehto, Martti Hakanen Kaisa Vaaramaa Anne-Maj Lahdenperä January 2011 POSIVA OY Olkiluoto FI-27160 EURAJOKI, FINLAND Tel +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3709 Working Report 2011-04 Sorption of Iodine, Chlorine, Technetium and Cesium in Soil Mervi Söderlund, Merja Lusa, Jukka Lehto, Martti Hakanen, Kaisa Vaaramaa University of Helsinki Department of Chemistry Laboratory of Radiochemistry Anne-Maj Lahdenperä Pöyry Finland Oy January 2011 Working Reports contain information on work in progress or pending completion. The conclusions and viewpoints presented in the report are those of author(s) and do not necessarily coincide with those of Posiva. ABSTRACT The safety assessment of final disposal of spent nuclear fuel will include an estimate for the behavior of waste nuclides in the biosphere. As a part of this estimate also the sorption of radioactive iodine, chlorine, technetium and cesium in soil is to be considered. The chemistry and the sorption of these radionuclides in soils are described in this literature survey. Behavior of I-129, Cl-36 and Tc-99 in the environment is of great interest because of their long half-lives and relatively high mobilities. The importance of Cs-135 arises from its high content in spent nuclear fuel and long physical half-life, even though it is considered relatively immobile in soil. Factors affecting the migration and sorption of radionuclides in soils can be divided into elemental and soil specific parameters. The most important elemental factor is the speciation of the element, which is influenced by the soil redox potential, pH and complex forming ligands. Soil micro-organisms can either serve as sorbents for radionuclides or affect their speciation by altering the prevailing soil redox conditions. Soil organic matter content and mineral properties have a marked influence on the retention of radionuclides. The sorption of anionic radionuclides such as I-, Cl- and - TcO4 is pronounced in the presence of organic matter. Clay minerals are known to bound cesium effectively. The effect of speciation of radioactive iodine, chlorine, technetium and cesium in soil is considered in this study, as well as the effect of soil micro-organisms, organic matter and mineral properties. Keywords: Sorption, iodine, chlorine, technetium, cesium, soil, speciation, Olkiluoto Jodin, kloorin, teknetiumin ja cesiumin sorptio maaperään TIIVISTELMÄ Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen turvallisuusanalyysi käsittää myös arvion ydinpolttoaineen sisältämien jätenuklidien käyttäytymisestä biosfäärissä. Osana tätä arviota on otettava huomioon radioaktiivisen jodin, kloorin, teknetiumin ja cesiumin pidättyminen maaperään.. Radionuklidien I-129, Cl-36 ja Tc-99 ympäristökäyttäytyminen on hyvin tärkeää johtuen niiden suhteellisen suuresta liikkuvuudesta sekä pitkistä fysikaalisista puoliintumisajoista. Kationisen Cs-135 tärkeys turvallisuusanalyysissa juontuu sen suureen pitoisuuteen käytetyssä ydinpolttoaineessa sekä pitkästä fysikaalisesta puoliin- tumisajasta, vaikka cesiumin tiedetään olevan maaperässä suhteellisen kulkeutumaton. Radioaktiivisen jodin, kloorin, teknetiumin ja cesiumin pidättymiseen ja kulkeu- tumiseen vaikuttavat tekijät voidaan jakaa alkuaineelle ja maaperälle ominaisiin erityispiirteisiin. Tärkein alkuainekohtainen tekijä on alkuaineen kemiallinen muoto, spesiaatio, johon vaikuttavat maaperän hapetus- pelkistysolosuhteet, pH ja komplekseja muodostavat ligandit. Maaperän mikro- organismit voivat joko pidättää radionuklideja tai vaikuttaa niiden spesiaatioon muuttamalla maaperässä vallitsevia hapetus- pelkistysolosuhteita. Maaperän orgaanisen aineksen pitoisuudella ja mineraaliaineksen ominaisuuksilla on huomattava vaikutus radionuklidien pidättymiseen. Anionisten - - - radionuklidien, kuten I , Cl ja TcO4 pidättyminen on korostunutta kun orgaanisen aineksen pitoisuus on korkea. Savimineraalien tiedetään pidättävän cesiumia tehokkaasti. Tässä kirjallisuuskatsauksessa on kuvattu radioaktiivisen jodin, kloorin, teknetiumin ja cesiumin spesiaation vaikutus niiden käyttäytymiseen ja pidättymiseen maaperässä. Myös maaperän mikro- organismien, orgaanisen aineksen ja mineraaliaineksen vaiku- tusta jodin, kloorin, teknetiumin ja cesiumin kulkeutumisessa ja pidättymisessä on huomioitu. Avainsanat: Pidättyminen, (ad)sorptio, jodi, kloori, teknetium, cesium, maaperä, spesiaatio, Olkiluoto 1 TABLE OF CONTENTS ABSTRACT TIIVISTELMÄ 1 INTRODUCTION ..................................................................................................... 3 2 TYPICAL SOIL PROPERTIES ON OLKILUOTO ISLAND ...................................... 5 3 FACTORS AFFECTING THE BEHAVIOUR AND SPECIATION OF ........................ RADIONUCLIDES IN SOILS ................................................................................. 11 3.1 Retardation processes ................................................................................... 11 3.2 Soil solution .................................................................................................... 13 3.2.1 pH of the soil solution .............................................................................. 13 3.2.2 Dissolved organic carbon (DOC) in the soil solution ............................... 14 3.2.3 Cations in the soil solution ...................................................................... 15 3.2.4 Anions in the soil solution ........................................................................ 17 3.2.5 Ionic strength of the soil solution ............................................................. 19 3.3 Redox conditions ............................................................................................ 21 3.4 Sorption .......................................................................................................... 22 3.5 Microbial effects ............................................................................................. 23 3.6 Soil types and profiles .................................................................................... 24 3.6.1 Grain size classes and textural classes .................................................. 25 3.6.2 Soil layers and horizons .......................................................................... 31 3.6.3 Soils ........................................................................................................ 33 3.6.4 Podzol and podzolization ........................................................................ 38 4 IODINE .................................................................................................................. 41 4.1 The influence of soil redox potential and pH .................................................. 41 4.1.1 Speciation of iodine ................................................................................. 41 4.1.2 Sorption of iodide and iodate .................................................................. 42 4.2 The influence of micro-organisms .................................................................. 45 4.3 Sorption on organic matter and organic soils ................................................. 47 4.4 Sorption on mineral soils ................................................................................ 48 4.4.1 Podzols ................................................................................................... 50 4.4.2 Sandy soils .............................................................................................. 51 4.5 Sorption on minerals ...................................................................................... 52 4.6 The volatilization of iodine .............................................................................. 59 5 CHLORINE ............................................................................................................ 61 5.1 The influence of soil redox potential and pH .................................................. 61 5.2 The influence of organic matter and micro-organisms ................................... 62 2 5.2.1 Organic chlorine in soil ............................................................................ 62 5.2.2 Chlorination of organic matter ................................................................. 64 5.2.3 Abiotic chlorination .................................................................................. 65 5.3 Sorption on mineral soils ................................................................................ 65 6 TECHNETIUM ....................................................................................................... 69 6.1 The influence of redox potential and pH ......................................................... 69 6.2 The influence of micro-organisms .................................................................. 71 6.3 Sorption on organic matter and organic soils ................................................. 73 6.4 Sorption on mineral soils ................................................................................ 74 6.4.1 Podzols ................................................................................................... 77 6.5 Sorption on minerals ...................................................................................... 78 7 CESIUM ................................................................................................................. 83 7.1 The influence of soil redox potential and pH .................................................