Radiohiiltä muodostuu ydinpolttoaineessa ja sitä ympäröivässä aineessa stabiilin typen neutroniaktivaatioreaktiolla 14N(n,p)14C. Kun 14C on liuennut käytetystä ydinpolttoaineesta, se voi hapettua karbonaattihiileksi, joka esiintyy pohjavesiolosuhteissa vetykarbonaattina (HCO3-) . Käytetyn polttoaineen turvallisuusanalyyseissa tämän ei kuitenkaan lasketa pidättyvän ollenkaan kallioperän rakojen ja huokosten pinnoille ja näin ollen sen laskettu kulkeutumisnopeus on suuri. Mahdollinen pidättymismekanismi ja siten 14C:n kulkeutumista hidastava mekanismi on kuitenkin karbonaattimuodossa olevan 14C:n isotooppivaihto rakojen pinnoilla olevan kalsiitin (CaCO3) kanssa. Tässä pro gradu -tutkielmassa tarkastellaan yllä mainittua 14C:n ja kalsiitin välistä isotooppivaihtoa.
Tämän pro-gradu -tutkielman kirjallisuuskatsauksessa selvitetään 14C:n lähteitä ja kulkeutumista ympäristössä. Siinä myös käsitellään kalsiitin ja muiden CaCO3:n kidemuotojen syntetisointimenetelmiä. Lisäksi tutkielman kirjallisessa osuudessa käydään läpi hiili - (13C, 14C) ja kalsiumisotooppien (45Ca) isotooppivaihtoa.
Tutkielman kokeellisessa osuudessa tarkasteltiin, miten liuoksen koostumus vaikuttaa CaCO3:n ja 14C:n väliseen isotooppivaihtoon. Tämän selvittämisessä käytettiin kahta erilaista kalsiittia, kaupallista ja itse syntetisoitua, joiden puhtaus varmistettiin röntgendiffraktiolla (XRD). Atomiabsorptiospektroskopiaa (AAS) käytettiin kalsiumin pitoisuuden määrittämiseen liuoksissa, kun taas nestetuikelaskentaa käytettiin liuosten 14C:n ja 45Ca:n aktiivisuuksien määrittämiseen.
14C:n diffundoitumisen takia sen pidättäytymistä kalsiittiin oli vaikea todentaa. 14C:n kaasumaista vapautumista liuoksesta CO2:na tapahtui todennäköisesti varastoinnin tai nestetuikelaskentanäytteen valmistuksen aikana. Sen sijaan 45Ca:n pidättymistä kalsiittiin voitiin havaita. Kuitenkin ainoa liuos, jossa tasapaino saavutettiin, oli 0,1 M NaCl-liuos, johon oli lisätty 45Ca-merkkiainetta. Piirretyn käyrän perusteella tasapaino saavutetaan 150 päivän kuluessa pidättymisprosentin jäädessä alle 20:n. 45Ca:n pidättyminen kiinteään faasiin on aluksi nopeaa, mutta se näyttää tasaantuvan 20 päivän jälkeen. Tasapainon saavuttamisen todentamiseksi tarvitaan pidempiä kokeita ja enemmän rinnakkaisnäytteitä.
14C:n ja kalsiitin välisen isotooppivaihdon tutkimiseen on kehiteltävä uusi menetelmä, jossa 14C:n diffundoituminen pyritään estämään. Tämä voitaisiin estää käyttämällä nestetuikelaskentacocktailia, joka ei ole niin herkkä pH-muutoksille. Tai sitten voitaisiin tehdä nestetuikelaskentanäytteet emäksiseen liuokseen.
