Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6977

A Kinetic Model for the Radiolysis of Chloride Brine, its Sensitivity against Model Parameters and a Comparison with Experiments

M. Kelm, E. Bohnert

Abstract
To model the radiolytic processes in concentrated chloride brine published data (reactions and rate constants) of the radiation chemical reactions are collected and compiled in the annex. Furthermore a set of primary radiolytic yields (G-values) is made up from published experimental data (gamma) or derived from theoretical considerations (alpha). The reaction schemes for the  potential contaminants Ni2+, Fe2+, Br- and CO32- as well as a scheme which allows to model the oxidative dissolution of solid UO2 can be implemented.

The sensitivity of the kinetic model for the radiolysis of pure water and of 5 M NaCl solution at pH 8 against the variation of rate constants and G-values is determined. Sensitivity analyses for gamma and alpha irradiation and for systems with constant radiolysis gas release and for such with no gas release are conducted separately. For the analysis each rate constant is varied by a factor of 10 or 0.1; for the variation of G-values each G-value is decreased by 20% and substituted by an equivalent of another primary species. As a measure for sensitivity usually the calculated concentrations of the permanent (molecular) products hydrogen, oxygen, hydrogen peroxide (water) and chlorate (brine) reached after 1000 years are compared to values achieved with nominal rate constants and G-values.

Normally alpha and gamma radiolysis in an open system results in a continuous production of molecular products (except the H2O2 production in water). The gamma radiolysis in a closed system with no gas release however leads to steady state conditions with low level concentrations of all radiolytic species.

According to the calculations all variations which have an effect on the concentration of dissolved H2 (rate constants of H2 consuming reactions or change of the G-value of H2) result in a variation of the final concentrations of molecular products. The reaction schemes for alpha radiolysis are less sensitive against changes in rate constants and G-values compared to schemes for gamma radiolysis (except the scheme for alpha radiolysis of brine in a closed system).

For alpha radiolysis of water and brine in an open system the parameter variation results only in a few cases in a variation of molecular product concentrations of usually some 10 %. The alpha radiolysis scheme for brine with no gas release however is influenced by several parameters and some variations of rate constants and G-values cause a complete change of the reaction mechanism: Under nominal conditions H2 and O2 are continuously formed with a reduced rate compared to an open system. Varying these sensitive parameters the concentration of both dissolved gases reach a low level steady state concentration.

The water scheme for an open system is most sensitive for parameters with H2 involved as mentioned above. The water scheme for a closed system leads to steady state conditions for all species but the steady state concentrations vary in some cases for orders of magnitude when varying certain rate constants or G-values. The brine system under gamma irradiation with gas release is for most of the parameter variations less sensitive (some 10% of concentration variation of the molecular products). A change in the reaction mechanism however is observed in such an open system if a G-value variation causes the G-value of H2O2 to exceed 0.14. In such a case there is no more continuous ClO3- production (in the favour of O2) but instead a low level concentration is established. The H2 production is not affected. The brine scheme for a closed system is most affected by parameter variations in which H2 is involved.

The calculated production of radiolysis species in brine is compared to a variety of experiments conducted under gamma and alpha irradiation. The standard deviation of gamma experimental results in an open system with respect to the formation rate of the molecular products H2, O2 and ClO3- is under most conditions (pH, concentration of Cl- and contaminants) in the range of some 10 %. The deviation between experimental and calculated concentrations is approximately of the same size. Only for Fe2+ containing solutions the degree of compliance is poorer. The compliance between experimental and calculation results for the alpha radiolysis of brine with respect to H2 and O2 is similar to that for gamma radiolysis. But all chlorine species are underestimated in the calculation. The formation of ClO3- proportional to the dose (at higher dose) and the steady state formation for HClO however is simulated correctly. The gamma radiolysis mechanism in a closed system without any gas release with the formation of steady state concentrations for H2, O2 and ClO3- as observed in experiments is correctly modeled if the reaction between H2 and Cl2- is considered in the scheme and if the strong pH dependence is correctly described by the model. The experimentally observed ‘protecting‘ effect of dissolved H2 and the effect of added Br- acting in the opposite direction is reasonably modeled. The deviation between experiments and calculation is for H2 and in most cases for O2 in the range of some 10%. The already low ClO3- concentrations found in experiments however are orders of magnitude lower in the calculation.

Ein kinetisches Modell für die Radiolyse von Chloridlösungen, seine  Sensitivität gegenüber Modellparametern und ein Vergleich mit Experimenten

Zusammenfassung
Um die Radiolyseprozesse in konzentrierter Chloridlauge mit Hilfe eines reaktionskinetischen Modells zu simulieren, wurden veröffentlichte Daten zu den strahlenchemischen Reaktionen (Reaktionsgleichungen und ihre Geschwindigkeitskonstanten) gesammelt und im Annex zusammengestellt. Darüber hinaus wurden die Primärausbeuten der strahlenchemisch gebildeten Spezies (G-Werte) für die Gammaradiolyse aus veröffentlichten experimentellen Daten zusammengetragen bzw. für die Alpharadiolyse aus theoretischen Überlegungen abgeschätzt. Das Reaktionssystem kann um Gleichungen für die potentiellen Kontaminanten  Ni2+, Fe2+, Br- and CO32- erweitert werden, ebenso wie um Gleichungen, die die oxidative Auflösung von UO2 beschreiben.

Die Sensitivität dieses kinetischen Modells gegenüber einer Variation der Reaktions-geschwindigkeitskonstanten und der G-Werte wurde für die Radiolyse reinen Wassers und von 5 M NaCl Lösung bei pH 8 bestimmt. Die Sensitivitätsanalysen wurden sowohl für die Gamma- als auch für die Alpharadiolyse durchgeführt, wobei die Fälle ‚konstante Radiolyse­gasfreisetzung’ und ‚keine Gasfreisetzung’ unterschieden wurden. Für die Analyse wurde jede Reaktionsgeschwindigkeitskonstante um den Faktor 10 und 0,1 variiert; für die Variation der G-Werte wurde jeder G-Wert um 20 % vermindert und durch jeweils eine andere oxidierende bzw. reduzierende Spezies in äquivalenter Menge ersetzt. Als Maß für die Sensitivität einer solchen Parameteränderung wurden die berechneten Konzentrationen der molekularen Produkte Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid (Wasser) und Chlorat (Salzlösung) nach 1000 Jahren Radiolyse mit den unter Nominalbedingungen erreichten Konzentrationen verglichen.

Bei der Alpha- und Gammaradiolyse werden bei zugelassener Radiolysegasfreisetzung die molekularen Produkte (außer H2O2 bei der Wasserradiolyse) normalerweise mit einer konstanten Rate gebildet. In einem geschlossenen System hingegen führt die Gammaradiolyse zu Gleichgewichtszuständen mit niedrigen Konzentrationen an Radiolysespezies.

Die Rechnungen zeigen, dass alle Parametervariationen, die eine Auswirkung auf die aktuelle H2 Konzentration haben (Wasserstoff verbrauchende Reaktionen, veränderter G-Wert für H2), sich auch auf die Endkonzentrationen der molekularen Spezies auswirken. Die Reaktions­systeme für die Alpharadiolyse sind unempfindlicher für Parametervariationen als die für die Gammaradiolyse (außer Alpharadiolyse von Chloridlauge im geschlossenen System).

Bei der Alpharadiolyse von Wasser und von Chloridlösung im offenen System führt die Sensitivitätsanalyse nur in wenigen Fällen zu einer Variation der Konzentration molekularer Produkte von einigen 10 %. Das Reaktionssystem für Chloridlauge ohne Gasfreisetzung ist dagegen empfindlich für eine ganze Reihe von Parametern, von denen einige zu einem Wechsel des Reaktionsverlaufs führen: Während die Rechnungen mit nominalen Parametern zu einer kontinuierlichen Bildung von H2 und O2 führen, bewirken die Änderungen dieser sensitiven Parametern, dass die gelösten Gase nur Gleichgewichtskonzentrationen auf niedrigem Niveau erreichen, ähnlich den Prozessen bei der Gammaradiolyse ohne Gasfreisetzung.

Das Reaktionssystem für Wasser unter Gammabestrahlung mit Gasfreisetzung ist gegenüber allen Parametern, die die H2 Konzentration beeinflussen, sehr empfindlich. Dasselbe System ohne Gasfreisetzung führt bei Parametervariation immer zu Gleichgewichtskonzentrationen der molekularen Produkte, deren Niveau in einigen Fällen aber um mehrere Größenordnungen von den Nominalwerten abweichen kann. Das Reaktionssystem für Chloridlauge unter Gammabestrahlung mit Gasfreisetzung führt bei vielen Parameteränderungen zu Konzentrationsänderungen der molekularen Produkte von einigen 10%. Wird bei diesen Parametervariationen ein G-Wert von 0,14 für H2O2 überschritten, so ändert sich der Reaktionsmechanismus: Die Chloratkonzentration erreicht nur einen niedrigen Gleich­gewichtswert. Stattdessen bildet sich O2. Die H2 Bildungsrate wird nicht beeinflusst. Das entsprechende System ohne Gasfreisetzung ist an empfindlichsten für Parameteränderungen, die die Konzentration von gelöstem H2 betreffen.

 

Die berechnete Bildung von Radiolysespezies in 5 M NaCl Lösung wurde mit den Ergeb­nissen von entsprechenden Radiolyseexperimenten unter Gamma- und Alphabestrahlung verglichen. Die Standardabweichung der Analysen bei den gamma-Experimenten im offenen System im Hinblick auf die Bildungsrate der molekularen Produkte H2, O2 und ClO3- betrug unter den meisten Bedingungen (pH, Konzentration von Cl- und von Kontaminanten) einige 10 %. Die Abweichungen zwischen experimentell ermittelten und berechneten Werten liegen in der gleichen Größenordnung. Lediglich in Gegenwart von Fe2+ ist die Übereinstimmung schlechter. Der Vergleich zwischen Experimenten und Rechnung für die Alpharadiolyse im offenen System fällt im Hinblick auf H2 und O2 ähnlich dem für die Gammaradiolyse aus. Die Konzentrationen aller Chlorspezies werden bei der Modellierung der alpha-Radiolyse aller­dings deutlich unterschätzt. Die ClO3- Bildung proportional zur Dosis (bei hoher Dosis) und die Bildung von HClO bis zu einer Gleichgewichtskonzentration wird vom Modell qualitativ richtig wiedergegeben. Der Gammaradiolysemechanismus im geschlossenen System ohne Gasfreisetzung (Erreichen von Gleichgewichtskonzentrationen für H2, O2 und ClO3-), wie er in den Experimenten beobachtet wurde, wird bei der Simulation richtig wiedergegeben, wenn eine Reaktion zwischen H2 und Cl2- -Radikal im Reaktionssystem berücksichtigt wird und wenn die starke pH Abhängigkeit durch das Reaktionsmodell richtig beschrieben wird. Der experimentell beobachtete ‚Schutzeffekt’ von gelöstem Wasserstoff  und der gegenläufige Effekt durch gelöstes Br- wird mit dem Modell ebenfalls richtig beschrieben. Die Abwei­chungen zwischen Experimenten und Rechnung betragen für H2 und in den meisten Fällen auch für O2 einige 10 %. Die bei den Experimenten ohne Gasphase gefundenen niedrigen Konzentrationen für ClO3- liegen bei der Modellierung noch um einige Größenordnungen tiefer.


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