A comprehensive understanding of actinide coordination chemistry and its structure is essential in many aspects of the nuclear fuel cycle, such as fuel reprocessing, waste management, reactor safety, and non-proliferation efforts. Managing radioactive waste generated during the nuclear fuel cycle has recently become more important, accordingly increasing the importance of designing appropriate waste forms and storage solutions for long-term waste disposal. Compared to the increase in the need for understanding the chemistry of major radioactive elements, the information on the local structure of the radioactive elements, especially actinides, remains unknown. To probe this issue, X-ray absorption fine structure (XAFS) can be applied. By analyzing the EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) and XANES (X-ray absorption near edge structure), the local structure around atoms can be determined. However, the radioactive properties of the nuclides hindered the measurement of EXAFS and XANES, due to the difficulties of preparation, containment, and transfer of the sample. To measure the EXAFS of various compounds regarding the back-end nuclear fuel cycle, laboratory-based EXAFS (hiXAS, HP spectroscopy) has been introduced which can measure the EXAFS and XANES at the energy range of 5-18 keV. Compounds of Copper (Cu foil, CuO samples), Zirconium (Zr foil), and Europium (Eu2O3) were used for the verification of the laboratory -based EXAFS at a given energy range. The measured EXAFS spectrum of various compounds exhibit good agreement with the theoretical data, showing an R-factor of less than 0.02. It was found that each graph has a first peak corresponding to 2.55Å for Cu foil (Cu-Cu), 1.93Å for CuO samples (Cu-O), 3.23Å for Zr foil (Zr-Zr), and from 2.32Å to 2.34Å for Eu2O3 (Eu-O), which agree well with other values from the literature. From the result, it can be implied that this equipment can be used especially in the back-end nuclear fuel cycle field to enhance the understanding of local structure in radiochemistry.

본 연구에서는 자연에서 산출빈도가 높은 3가 비소(아비산염)와 two-line ferrihydrite와의 표면흡착반응의 기작을 살펴보기 위하여 3가 비소를 흡착시킨 two-line ferrihydrite에 대한 X선 흡수분광 분석을 수행하였다 연구에 사용된 two-line ferrihydrite는 실험실에서 합성하여 사용하였으며, 산성과 염기성 환경에서의 표면반응 기작을 비교하기 위하여 pH 4와 10에서 연구를 수행하였다. 또한 각 pH 조건별 3가 비소의 흡착농도에 따른 표면반응의 차이를 비교 평가하였다. X선 흡수분광 분석결과에서 얻은 EXAFS 영역에서의 비소 3가에 대한 구조 변수들을 살펴보면 As-O 배위수는 3.1~3.3개 거리는 1.74~1.79 a으로 two-line ferrihydrite 표면에 흡착된 As(III) complex의 구조 단위체가 AsO3임이 확인되었다. As(III)-Fe쌍은 주로 안정된 형태의 bidentate binuclear comer-sharing (2C)의 결합구조를 갖는 것으로 나타났으며, bidentate mononuclear edge-sharing (2E)와 2C가 혼합된 결합구조도 공존하는 것으로 조사되었다. pH 4에서는 흡착농도에 따라 다른 표면구조를 가지는 반면, pH 10에서는 흡착 농도에 상관없이 동일한 표면구조를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 3가 비소와 two-line ferrihydrite의 표면반응은 pH와 농도에 의해서 영향을 받는다는 거시적인(macroscopic) 흡착실험 연구결과가 미시적인(microscopic) X선 흡수분광 결과에 의해서 해석될 수 있음을 의미한다.

유기양이온(hexadecylpyridinium chloride monohydrate (HDP+))으로 개질시킨 유기벤토나이트의 특성을 유기탄소함량 측정, 마이크로-X 선회절 분석, 전기영동 이동성 측정을 이용하여 관찰하고, 무처리 벤토나이트와 유기벤토나이트의 요오드에 대한 흡착성을 비교 조사하였다. 벤토나이트는 유기양이온인 HDP+에 대해서 높은 친화력을 보여주었다. 마이크로-X선 회절 분석 결과에 의하면 유기벤토나이트는 저면 간격에 있어서 현저하게 팽창을 하였고, 이는 유기 양이온이 벤토나이트의 층간에 충분히 삽입되었음을 의미한다. 전기영동 이동성 측정에 의하면벤토나이트의 양이온 교환 용량 이상의 유기 양이온으로 치환시킨 유기벤토나이트의 경우 무처리 벤토나이트와 전혀다른 표면 전하분포를 나타냄을 알 수 있다. 요오드의 흡착능에 있어서, 무처리 벤토나이트는 요오드를 전혀 흡착하지 못한 반면, 벤토나이트의 양이온 교환용량의 200% 양으로 개질 시킨 유기벤토나이트의 경우 요오드 439 mmol/kg를 흡착하였다. 유기 벤토나이트에 흡착된 요오드의 분자 환경은 요오드 K-edge와 LIII-edge X-선 흡수 분광을 이용하여 연구하였다. 유기벤토나이트의 요오드 X선 흡수 변연 구조를 통해 유기벤토나이트에 흡착된 요오드의 경우 KI 표준용액의 구조와 유사함을 알 수 있었다. 광범위 X-선 흡수 미세구조의 선형 결합 분석결과는 유기 복합체와 반응한 요오드의 비율이 벤토나이트에 흡착된 유기 복합체의 양이 증가함에 따라 같이 증가함을 나타냈다. 본 연구를 통해, 벤토나이트의 개질 특성에 의해 요오드의 흡착 환경이 현저하게 달라짐을 관찰할 수 있었으며, 음이온성 방사성 요오드를 포함하는 핵폐기물 저장소 주변의 방어벽 물질로 유기벤토나이트의 적용 가능성을 살펴 볼 수 있었다.