Mobilization of natural uranium series radionuclides at three mining sites in Finland

Northern Fennoscandia has experienced an unparalleled mineral exploration boom since around 2005. At the same time, there has been increasing awareness of the potential environmental impact of non-nuclear industries that extract and/or process ores containing naturally occurring radionuclides. Industrial activities may result in significant environmental problems if the waste generated during ore processing is not adequately managed. In 2010, a new project was launched with an objective to study the mobility of uranium series radionuclides from diverse mill tailings in a northern boreal environment in Finland. Three sites were investigated: the Talvivaara Ni-Cu-Zn-Co mine in central Finland, a former phosphate mine at Sokli, Finnish Lapland, and a former pilot-scale uranium mine at Paukkajanvaara, eastern Finland. The mobility of radionuclides from the mill tailings at Sokli was examined in order to assess the potential environmental impact of past and future mining activities. Mineralogical studies did not indicate that uranium or thorium have been mobilized from altered pyrochlore-group minerals in the Sokli ore or tailings. In the tailings pond, no clear trends were observed in the activity concentrations of uranium, radium or thorium isotopes in the surface layers of the mill tailings. In subsurface samples, an increase in the concentration of these isotopes can be seen when approaching the pond at the distal end of the sludge field. However, this increase is most likely to a consequence of compositional changes in material discharges. The results of the sequential extraction tests suggested that neither uranium nor thorium is in an exchangeable form and could potentially be released to the environment. Uranium (4% of the total concentration) was partly soluble under weakly acidic conditions, whereas thorium was tightly bound in mineral phases. At the former Paukkajanvaara uranium mine in Eno, the aim of the study was to examine the potential for further mobilization of radionuclides after remediation of the site in early 1990s. There are two primary sources of contamination at the site, the waste rock pile and the tailings. The results indicate that Ra-226 has been leached from the waste rock pile and accumulated in surrounding soil. In run-off sediment samples collected from a dry stream bed near the waste rock pile, the activity concentrations of Ra-226 and U-238 are higher than in soil samples. From the tailings, radionuclides can leach directly to the lake and to another small stream, which flows to the east of the waste rock pile. The results from the soil samples collected between the tailings area and the stream indicate leaching of U-238 and Ra-226 with the surface flow. Sediment samples collected from the bottom of the lake display pronounced uranium series disequilibrium with fractionation of Pb-210 and Ra-226 relative to the parent U-238. The results therefore indicate that leaching and accumulation of at least Ra-226 from the waste rock pile and possibly tailings is still ongoing. At Talvivaara, the aim of the study was to generate new data leading to a better understanding of the fate of radiotoxic uranium daughter nuclides, primarily Ra-226, Pb-210 and Po-210, in the mining process. In heap leaching, uranium is dissolved from uraninite to the pregnant leach solution. Uranium is probably transported as uranyl ions and uranyl sulfate complexes in the acid pregnant leach solution (PLS), and finally ends up in precipitates of the gypsum pond tailings via iron removal and final neutralization processes during the removal of residual metals. In terms of radiation safety, the U-238 activity concentration in the gypsum pond is partly above the exemption value (1000 Bq/kg) for natural radionuclides of the U-238 series. Radium and thorium mostly stay in the heaps during heap leaching. In addition, Pb-210 and Po-210 stay mainly in the heaps but slight mobilization of these nuclides was indicated. Secondary sulfate minerals, such as gypsum and jarosite, are precipitated from the sulfate-rich and acid PLS at Talvivaara. These minerals can incorporate radium in their crystal lattices, limiting Ra-226 mobility. Therefore, it can be assumed that most of radium and possibly part of Pb-210 and Po-210 are co-precipitated with poorly soluble sulfates in the Talvivaara heaps.Pohjoisessa Fennoskandiassa kaivostoiminta on ollut kasvussa vuodessa 2005 lähtien. Samanaikaisesti on tiedostettu, että malmin louhinta ja prosessointi voivat johtaa vakaviin ympäristöongelmiin, mikäli syntynyttä kaivosjätettä ei käsitellä asianmukaisesti. Vuonna 2010 Helsingin yliopiston Radiokemian laboratorio yhteistyökumppaneineen käynnisti Suomen Akatemian rahoittaman nelivuotisen projektin, jonka tarkoituksena oli tutkia uraanisarjan radionuklidien mobilisaatiota erilaisista kaivosjätteistä Suomen pohjoisboreaalisessa ympäristössä. Tutkimuskohteina olivat entinen uraanikaivos Paukkajanvaarassa Enossa, entinen fosfaattikaivos Soklissa Itä-Lapissa, sekä Talvivaaran Ni-Cu-Zn-Co-kaivos Sotkamossa. Paukkajanvaaran entisen uraanikaivoksen tutkimuksessa pyrittiin selvittämään radionuklidien liukoisuutta 1990-luvun alkuvuosien kunnostuksen jälkeen. Alueella on kaksi ensisijaista kontaminaatiolähdettä: raakkukasa ja jätekenttä. Tulokset osoittivat, että 226Ra on liuennut raakkukasasta ja kertynyt ympäröivään maaperään. Raakkukasan läheisyydestä kerätyissä kuivuneen puronuoman sedimenttinäytteissä 226Ra ja 238U-konsentraatiot olivat maaperänäytteitäkin suuremmat. Jätekentästä radionuklidit saattavat huuhtoutua pieneen järveen tai puroon, joka kulkee kentän vieressä ja laskee järveen. Jätekentän ja puron välistä kerättyjen maaperänäytteiden tulokset osoittivat, että 226Ra ja 238U huuhtoutuu pintavalunnan mukana. Järven pohjasta kerätyissä sedimenttinäytteissä oli havaittavissa 210Pb -ja 226Ra-nuklidien fraktioitumista 238U nähden. Näin ollen tulosten perusteella ainakin 226Ra-nuklidin huuhtoutuminen raakkukasasta ja mahdollisesti rikastushiekkakentältä sekä kertyminen ympäristöön jatkuu edelleen. Soklissa radionuklidien mobilisaatiota kaivosjätteestä tutkittiin tarkoituksena selvittää aiemman ja tulevan kaivostoiminnan mahdollisia ympäristövaikutuksia. Mineralogiset tutkimukset eivät osoittaneet, että uraania tai toriumia olisi mobilisoitunut malmista tai kaivosjätteestä. Jätekentän päällimmäisen kerroksen näytteissä ei havaittu selkeää eroavaisuutta uraanin, radiumin ja toriumin aktiivisuuskonsentraatioiden välillä. Alemman kerroksen näytteissä näiden isotooppien konsentraatiot suurenevat jätekentän toisessa päässä olevaa lampea kohden. Konsentraatioiden suureneminen johtuu kuitenkin todennäköisesti jätepäästöjen koostumuksen vaihteluista. Selektiiviset uuttokokeet lisäksi osoittivat, ettei uraani eikä torium esiinny vaihtuvassa muodossa näytteissä ja näin ollen ne eivät vapaudu liuokseen helposti. Uraani (4 % kokonaiskonsentraatiosta) oli osittain liukenevassa muodossa heikosti happamissa olosuhteissa. Sen sijaan torium oli edelleen tiukasti kiinni mineraalifaaseissaan. Talvivaaran tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää radiotoksisten uraanin tytärnuklidien 226Ra, 210Pb ja 210Po käyttäytymistä kaivosprosessissa. Biokasaliuotuksessa uraani liukenee uraniniitista prosessiliuokseen ja päätyy lopulta kipsisakka-altaaseen. Säteilysuojelun näkökulmasta 238U-aktiivisuuskonsentraatio ylittää osittain altaassa 238U-sarjan radionuklidien vapaarajan (1000 Bq/kg). Radium ja torium jäävät suurelta osin liuotuskasaan. Myös 210Pb ja 210Po jäävät kasoihin, joskin pientä liukenemista havaittiin. Sekundaariset mineraalit, kuten kipsi ja jarosiitti, saostuvat sulfaatteja sisältävästä happamasta prosessiliuoksesta ja sitovat radiumia kidehiloihinsa rajoittaen näin sen liikkumista prosessissa. Samoin 210Pb ja 210Po kerasaostuvat pääsääntöisesti vähäliukoisten sulfaattimineraalien kanssa Talvivaaran bioliuotuskasoissa