The proper management of radioactive wastes and spent nuclear fuels produced by nuclear power generation is highly required not to pose any environmental impact and any threat to human health beyond the safety standards and regulations. Uranium constitutes a major portion of the spent nuclear fuels and plutonium is the most guardedly handled material regarding national security and non-proliferation of nuclear weapon. Here, the formation constants of $CaUO_2(CO_3)_3 ^{2-}$, $Ca_2U_O2(CO_3)_3(aq)$, and $MgUO_2(CO_3)_3 ^{2-}$, which are considered the most predominant U(VI) species in natural groundwater and seawater, at various temperatures ($10-85$ $^\circ C$) were obtained using time-resolved laser fluorescence spectroscopy (TRLFS), potentiometric titration with $Ca^{2+}$-selective electrode, and UV–Vis absorption spectroscopy. The reaction enthalpy of the ternary complexes was measured by isothermal titration calorimetry (ITC). Additionally, the evidence of the formation of plutonyl(VI) carbonate species, $CaPuO_2(CO_3)_3 ^{2-}$ and $MgPuO_2(CO_3)_3 ^{2-}$, was found for the first time by Vis–NIR absorption spectrometry. Similar to the ternary U(VI) complexes, $CaPuO_2(CO_3)_3 ^{2-}$ may be the most prevailing plutonyl(VI) species in the oxidizing natural waters at neutral and weakly alkaline pH. Based on the chemical thermodynamic data obtained in this work, the approximation models to predict the formation constant at desired temperatures were examined and successfully developed. This work can provide a more realistic understanding and prediction of uranium(VI) and plutonium(VI) migration in the environment relevant to the deep geological repository for radioactive wastes and the contaminant sites by uranium and plutonium.
원자력 발전을 통해 발생되는 사용후핵연료와 방사성폐기물은 환경 및 보건에 대한 방사선 위험을 발생시키지 않도록 안전하게 관리되어야만 한다. 우라늄은 사용후핵연료의 대부분을 차지하며 플루토늄은 핵안보와 관련하여 전세계적으로 가장 엄격하게 관리되는 물질이다. 본 연구에서는 시간분해 레이저형광분광법, 이온선택성 전극을 통한 전위차법, 자외선-가시광선 흡수분광법을 상보적으로 활용하여 지하수 및 해수에서 가장 지배적으로 존재하는 6가 우라늄 화학종인 삼성분 칼슘 우라닐 카보네이트 및 마그네슘 우라닐 카보네이트 화학종의 온도에 따른 형성상수를 규명하였으며, 등온열량측정법을 활용하여 우라닐 삼성분 화학종 형성 엔탈피를 측정하였다. 또한, 가시광선-근적외선 흡수분광법을 통해 삼성분 6가 플루토닐 카보네이트 화학종의 형성을 최초로 규명하였으며 형성상수를 도출하였다. 본 연구에서 얻어진 화학 열역학 자료를 바탕으로 원하는 온도 조건에서 삼성분 화학종의 형성상수를 예측할 수 있는 모델을 개발하였다.
