Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen
Monimutkaisempi vesiliuos
Lisätään edellisen blogitekstin veteen (vesi+NaCl+CO2) uusi alkuaine, kalsium, jonka pääspesies vedessä on tyypillisesti sen kaksiarvoinen ioni (varaus on 2+, eli se on luovuttanut kaksi elektroniaan muille spesieksille). Kalsiumia veteen voisi joutua vaikkapa liuottamalla hyvin yleistä mineraalia kalsiittia, joka tunnetaan myös kalkkikiven päämineraalina, jota usein täydentää vain pieni osuus epäpuhtauksia. Kalsiitti (CaCO3) hajoaa veteen liuetessaan pääosin kalsium- ja karbonaatti-ioneiksi kuvan 1 mukaisesti. Jos pH on alhainen eli liuos hapan, karbonaatti muodostaa vetyionin kanssa vetykarbonaatti-ionin (HCO3-). Lisäksi syntyy suuri joukko muita osaslajeja, joista kuvassa 4. näytetään yleisimpiä. Kalsium voi myös sitoutua (erityisesti negatiivisille) mineraalipinnoille pintakompleksina.
Kemiallinen analyysi vesinäytteestä kertoo yleensä liuenneiden alkuaineiden kokonaispitoisuuden. Osaslajit saadaan selville joko termodynaamisella mallinnuksella tai kehittyneemmillä analyysimenetelmillä, joita yleensä käytetään vain tieteellisessä työssä. Vesikemiallinen termodynamiikka on epälineaarista, ja siten mallinnus ja simulointi vaatii siihen erikoistuneita mallinnusmenetelmiä ja tietokoneohjelmia. Näiden ohjelmien käyttäminen vaatii hyviä termodynaamisia tietokantoja, jotka oikeastaan muodostavat termodynaamisen mallin, jonka tietokoneohjelma ratkaisee.
Radionuklidien pitoisuudet ovat tyypillisesti niin alhaisia, etteivät ne muuta vesiliuoksen ominaisuuksia. Vesiliuoksen muut osaslajit sen sisään muodostavat radionuklidien kanssa uusia osaslajeja, joiden ominaisuudet vaikuttavat radionuklidien liukoisuuteen ja sorptioon.
Kuva 1. Yksinkertaistettu kuva hiukan monimutkaisemmasta vesikemiallisesta systeemistä. Kalsium (Ca) muodostaa joukon osaslajeja, joista tärkein on Ca2+. Mukana myös pinnoille tarttunut SO-Ca+, josta lisää myöhemmin. Hiilidioksidi on emäksisessä liuoksessa karbonaatti-ionina CO32-, mutta happamassa vetykarbonaatti-ionina HCO3-. Kuvan tapauksessa kalsiitin (kalkin) CaCO3(s) liukoisuustulo (keskellä kuvaa) ei ylity.
Kalsiitin liukenemista säätelee liukoisuustulo. Kalsiitti liukenee veteen kalsium- ja karbonaatti-ionina (kuva 1). Liukeneminen jatkuu tai saostuminen ei ala ennen kuin kuva yhden keskellä oleva liukoisuustulo ylittyy. Liukoisuustulossa pitoisuudet kerrotaan keskenään ja tulosta verrataan tietokannoista saatavaan arvon (kuvan K).
Täten kalsiittia voi liueta sitä enemmin
mitä runsaammin kalsium- ja karbonaatti-ionit muodostavat muita osaslajeja.
Radionuklidien tilanne täysin samanlainen, joten monia osaslajeja muodostavat
nuklidit pysyvät periaatteessa paremmin vesiliuoksessa kuin muut. Käytännössä
monia osaslajeja on vain aktinideilla, joiden liukoisuustulot ja siten
liukoisuus on alhainen. Kalsiumin kemia kuvaa melko hyvin myös radiumin
vesikemiallista käytöstä.
Liukoisuus
Jos liukenemisreaktion liukoisuustulo saavuttaa tasapainovakion arvon tai jopa ylittää sen jossain tilanteissa, niin kuvan 1 tilanne kääntyy toisinpäin. Joko kalsium- tai karbonaatti-ionin pitoisuus määräytyy liukoisuustulosta. Kalsiumionien pitoisuus liuoksessa on siten vakio K jaettuna karbonaatin pitoisuudella, jos tilanne on sellainen, että karbonaatti-ionien pitoisuutta hallitaan muuten esim. pitämällä liuosta sopivassa ilmakehässä (kuva 2).
Radionuklidien tilanne on samanlainen, ja
siten jokin radionuklidin mineraali määrää radionuklidi-ionin pitoisuuden ja
samalla kokonaispitoisuuden vesiliuoksessa.
Edellä kuvattu on melko karkea
yksinkertaistus todellisuudesta, sillä erilaiset faasimuutosreaktiot, joihin
saostuminenkin kuuluu (kiinteän aineen muodostuminen vesiosaslajeista) ovat jo
sinällään aika monimutkaisia ja vaikeasti teoreettisesti hallittavia. Lisäksi
vesikemiallinen systeemi on hyvin epälineaarinen, jolloin yhden mineraalin
saostuessa tai liuetessa koko systeemi muuttuu samalla. Näitä yritetään hallita
reaktioreittimallinnuksella, joka on rakennettua aiemmin mainittujen
termodynaamisten mallien päälle. Mutkikkuutta lisää erilaiset siirtoilmiöt,
diffuusio ja virtaus, joista lisää myöhemmin tässä esityksessä.
Kuva 2. Jos systeemissä on riittävästi kalsiittia (kalkkia) ylikylläisyyden saavuttamiseksi, niin tilanteessa, jossa karbonaatin määrää muutetaan jollain ulkoisella tavalla, kalsiumionien pitoisuus liuoksessa määräytyy liukoisuustulosta suoralla jakolaskulla. Sen jälkeen kalsiumin muiden osaslajien pitoisuus saadaan kalsiumionin pitoisuudesta. Kaikki muutokset vaikuttavat kuitenkin lähes kaikkeen, joten systeemi on varsin epälineaarinen.
