Geochemie interakcí bentonitu v podmínkách úložišť vyhořelého jaderného paliva

Mgr. Dana Hanuláková, Ph.D.

Doctoral thesis

Geochemistry of bentonite interactions in high level waste repository conditions

Abstract:

V uvažované koncepci konstrukce ukládání radioaktivního odpadu je jednou z hlavních sou-částí inženýrské bariéry bentonit. Stává se tak předmětem rozsáhlých multidisciplinárních studií. V Centru experimentální geotechniky (CEG), Fakulta stavební, České vysoké učení tech-nické, byly realizovány dva experimenty zaměřené na změny fyzikálních a chemických vlast-ností dlouhodobě zatěžovaného bentonitu. Fyzikální model Mock-Up-CZ I simuloval verti-kální uložení kontejneru s vyhořelým palivovým článkem jaderného paliva. Jako inženýrská bariéra byla použita směs bentonitu, křemenného písku a grafitu, sytícím médiem byla synte-ticky připravená granitická voda. Během experimentu bylo dosaženo teplot těsně pod 100 °C a tlaky místy přesáhly 1,8 MPa. Experiment trvající 37 měsíců ukázal, že se v jeho průběhu uvnitř nádoby ustavilo nehomogenní geochemické pole. Během interakcí byl do pórové vody přednostně uvolňován vápník ve srovnání s hořčíkem a sodík byl přednostně uvolňován ve srovnání s draslíkem. Pórová voda byla tedy nabohacována alkalickými kovy ve srovnání s kovy alkalických zemin. Geochemické modelování potvrdilo, že bentonitová směs, z hlediska hlavních složek složená v principu z Na-K-Ca-Fe montmorillonitu, je transformo-vána na Ca-Mg montmorillonit, jen malá část původního materiálu se přemění na kaolinit a při nejvyšších teplotách i illit. V druhém experimentu byly studovány interakce 3 typů bentonitu (bentonit zatížený v experimentu Mock-Up-CZ I, FEBEX a Rokle) a 2 typů sytících médií (přírodní granitická voda a laboratorně připravená voda se zvýšeným obsahem draslíku). Vzorky vody a saturova-ného bentonitu byly odebírány po 3, 6, 12 a 18 měsících. Interakce mezi sledovanými bento-nity a vodnými médii byla při teplotě 95 °C poměrně rychlá, po třech měsících bylo dosaženo relativně stabilního složení vod i substrátů. Při vzájemných interakcích docházelo ve vodě k výraznému snižování poměru Mg/Ca a K/Na, který ukazuje na přednostní vázání hořčíku a draslíku v substrátech. Bez ohledu na výchozí koncentrace složek sytícího média se složení médií přizpůsobilo typu substrátu a výsledné složení médií tak bylo určeno výhradně substrá-tem. Hmotnostní bilance složení pórové vody i geochemické modelování transformace ukáza-ly, že jen malé množství bentonitové směsi bylo rozpuštěno a pouze kolem jednoho hmot-nostního % původního bentonitového substrátu bylo transformováno na sekundární produkty. Dobré shody modelů s experimentálními výsledky bylo dosaženo přesto, že v modelech neby-la vůbec uvažována sorpce. Geochemické modely mohou sloužit pro identifikaci rozhodujících procesů přeměny substrátů i odhad vlivu jednotlivých faktorů, ovlivňujících stabilitu substrátů.

Abstract:

Bentonite buffer is an important part of engineering barrier of many concepts of deep reposi-tories for high active radioactive waste. Bentonite materials are studied by the multidiscipli-nary scope of objectives. Two experiments focused on evaluation of long term loading of bentonites were performed at the Centre of Experimental Geotechnics (CEG), Faculty of Civil Engineering, Czech Tech-nical University, focused on evaluation of physical and chemical properties of loaded benton-ites. The Mock-Up-CZ I experiment was performed to simulate vertical placement of contain-er containing highly active waste. Mixture of bentonite, quartz sand and graphite saturated by synthetic granitic water was used as the material for engineering barrier. Temperatures up to 100 °C and pressures over 1.8 MPa were reached during experiment lasting for 37 months. Non-homogenous geochemical field was established inside the container during the experi-ment. Calcium was preferably released to pore water during interaction of bentonite and gra-nitic water, compared to magnesium. Similarly, sodium was preferably released to pore water, compared to potassium. Geochemical modeling confirmed that mixture composed mainly of Na-K-Ca-Fe montmorillonite was transformed to Ca-Mg montmorillonite, while only small amount of original montmorillonite was transformed to kaolinite and illite during highest reached temperatures. Interactions of three types of bentonites (bentonite loaded in the Mock-Up-CZ I experi-ment, FEBEX bentonite and raw Rokle bentonite) with two types of saturating water (natural granitic water and synthetic water with higher potassium content) were studied in the second experiment. Mixtures of bentonites and water were placed in pressure vessels and were ther-mally loaded at 95 °C for 18 months. Water and bentonite samples were taken after 3, 6, 12 and 18 month of experiments. Interactions between observed bentonites and both saturating media was relatively fast, stable composition of substrates and water was reached after 3 months of experiment. Decrease of Mg/Ca and K/Na ratio was observed in water as a result of interactions, which indicates the tendency to bind the magnesium and potassium into sub-strate. Despite of original components concentrations in saturating media, the stable composi-tion of water was modified according to the type of the bentonite; the final water composition just depends on the type of the substrate. Both balance calculations of pore water composition and geochemical modeling proved dissolution of montmorillonites, totally only about one weight percent of bentonites was transformed to the secondary products. Results of geochem-ical modeling were in good agreement with experimental results, even if the sorption was not considered. Geochemical modeling was proved to be a useful tool for identification of key processes of bentonites transformations and in determination of factors affecting the long-term stability of bentonites.

Keywords

Klíčová slova, bentonit, Mock-Up-CZ, pórová voda, geochemické modelování, transformace montmorillonitu Key words, bentonite, pore water, geochemical modelling, montmorillonite transformation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 6. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 2. 10. 2013
• Supervisor: doc. RNDr. Josef Zeman, CSc.
• Reader: doc. Dr. Ing. Miroslav Černík, CSc., doc. RNDr. Emil Jelínek, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences