sou · GTB347 · 2006-01-01 00:00:00 — Bentonit har fått sitt namn från Fort i , och består huvudsakligen av ett lermineral, montmorillonit (se figur 9.1), som tillhör gruppen smektiter. Andra i den gruppen är hectorit, saponit, beidellit och nontronit, som alla är uppbyggda av två tetraedriska kiselskikt (SiO4-skikt), som om- ger ett oktaedriskt MO5OH-skikt där M betecknar aluminium (Al), magnesium (Mg) eller järn (Fe). Silikatskikten har negativ laddning som kompenseras av positiva joner (katjoner), före- trädesvis kalciumjoner (Ca2+), magnesiumjoner (Mg2+) och natriumjoner (Na+). Dessa joner är i vattenlösning hydratiserade de omger sig med ett hölje av vattenmolekyler och hela paketet kan adsorberas mellan silikatskikten (interkristallint), vilket leder till att leran sväller. Figur 9.1 Strukturen av montmorillonit, som är det huvudsakliga lermineralet i bentonit. En del av det nedre tetraedriska skiktet hos en angränsande mineralpartikel visas överst i figuren. Vattenmole- kyler och katjoner finns mellan partiklarna och katjonerna är starkt sorberade på ytan, som är negativt laddad genom att trevärda alu- miniumjoner i det oktaedriska skiktet delvis har utbytts mot två- värda magnesiumjoner (från KASAM:s Kunskapslägesrapport , SOU 2001:35; modifierad från et al. 1996 och 1989) Beroende på förhållandena under bildningen och den senare miljön kan bentoniten innehålla en rad föroreningar t.ex. kvarts, fältspat, kalcit, gips eller pyrit. Närvaron av dessa på- verkar bentonitens egenskaper och därmed värdet i olika appli- kationer. Det referensmaterial som använts av SKB har beteck- ningen MX-80 och är en blandning av naturliga leror från . Det är av Na-bentonit typ och har enligt SKB en halt av mont- morrilonit på . MX-80 har utgjort ett viktigt material i KBS-3 konceptet. Dess egenskaper med avseende på svällning i vatten, densitet, diffusion, mikrobiella egenskaper, gastransport, kemisk stabilitet, värmeledningsförmåga och flera andra egenskaper har redovisats i en rad forskningsrapporter från SKB och även i fri- stående arbeten publicerade i olika vetenskapliga tidskrifter. En sammanfattning av kunskapsläget med avseende på bento- nitens roll i slutförvaret har tidigare gjorts av KASAM i rapporten på kärnavfallsområdet 2001 (SOU 2001:35). 9.1.2SKB:s krav på bufferten I FUD-program 2004 har SKB sammanfattat kraven på bufferten på följande sätt: Låg hydraulisk konduktivitet så att radionuklider och korrosiva ämnen enbart transporteras genom diffusion. Bufferten måste bibehålla sina dimensioner efter svällning så att hela det tillgängliga utrymmet fylls ut och inga större hålrum uppkommer . Bufferten skall ha förmåga att själv täta eventuella sprickor så att de inte blir bestående. Bufferten skall vara långsiktigt fysikaliskt och kemiskt stabil. För att fungera väl skall bufferten dessutom uppfylla en rad andra önskemål som att: Förhindra mikrobiell verksamhet som kan leda till korrosion på kapseln. Kunna släppa ut stora mängder gas som kan bildas vid korro- sion inuti kapseln.Tillåta att värme från kapseln kan ledas bort utan att leda till kemiska eller fysikaliska förändringar. Inte innehålla föroreningar som är skadliga för andra barriärer. Ha förmåga att filtrera bort kolloidala partiklar. 9.2KASAM:s överväganden och bedömning KASAM:s kommentarer i det följande är i huvudsak hänförliga till kap. 17 i FUD-program 2004. Hur väl bentonitbufferten förmår att uppfylla angivna krav har som tidigare nämnts varit föremål för omfattande forskning, som har sammanfattats i en lång rad rapporter och publikationer från SKB och i artiklar från internationella forskargrupper. KASAM har också engagerat sig i frågan om bentonitbuffertens funktion och långsiktiga egenskaper bl.a. genom att sammanfatta internationella forskningsresultat i Kun- skapslägesrapporten , genom sitt yttrande över SKB:s FUD- program 2001 samt genom att medverka i offentliga utfrågningar bl.a. i (2001). KASAM:s kritik har i stort sett varit positiv även om behovet av ökade kunskaper har understrukits när det gäller vissa för buffertens funktion avgörande parametrar. I KASAM:s yttrande över FUD-program 2001 finns en rad sådana påpekanden och KASAM återkommer till några av dessa tidigare framförda syn- punkter och förslag i föreliggande granskningsyttrande. SKB redovisar att man genomför ett omfattande program för att studera alternativa buffertmaterial, men den grundläggande orsaken till detta är inte helt klar. Görs detta för att långsiktigt trygga godkända leverantörer eller är det av ekonomiska skäl? KASAM ser positivt på att man får referenser till de om- fattande studier av natriumbentonit, som har redovisats i många forskningsrapporter, men ser med viss oro på att en av SKB:s slutsatser redan i detta tidiga skede tycks vara att kalcium- bentonit har minskad svällningspotential men tätningsegen- skaperna är likvärdiga med natriumbentonitens (FUD-program 2004, s. 196). – Kan man verkligen säga detta redan nu? Vilka referenser stöder man sig på? – Vetenskapliga rapporter som i tidigare yttranden har refererats av KASAM (Kunskapsläges- rapporten ) beskriver att diffusionskoefficienterna för många joner är av storleksordningen 10 gånger högre i kalcium- bentonit än i natriumbentonit. KASAM rekommenderade i yttrandet över SKB:s FUD- program 2001 att kalciumbentonitens egenskaper bör studeras bättre. Motivet till att föreslå detta var i första hand inte att er- sätta natriumbentoniten som buffertmaterial men att den genom grundvattnets inverkan förr eller senare delvis kan komma att omvandlas till kalciumbentonit. Omvandlingstakten kommer att bero på den relativa fukt- halten i omgivningen. Under alla förhållanden och inte minst i situationer med vatten i överskott torde en sådan omvandling innebära att bufferten krymper och att vatten frigörs. Detta förlopp har SKB självt redovisat i FUD-program 2001, s. 112. SKB säger också att detta inte påverkar buffertens funktion men utan att redovisa sina referenser, som kan styrka denna slut- sats. KASAM föreslår att SKB genomför en undersökning av egen- skaperna med avseende på svällning och densitet hos natrium- bentonit som mättas med kalciumhaltigt vatten. Bentoniten innehåller normalt, som nämnts ovan, en rad förore- ningar, som påverkar bentonitens egenskaper både positivt och negativt. Mängden föroreningar varierar beroende på var bento- niten bildats och utvinns och det är därför angeläget att SKB har klart för sig hur de olika föroreningarna, var och en och i kombi- nation med varandra, påverkar buffertens egenskaper. Detta har KASAM påpekat i tidigare yttranden och det blir ännu mer aktuellt i samband med att SKB har aviserat att man söker alternativa material till natriumbentoniten, MX-80. Natriumbentonitens kemiska stabilitet på lång sikt har ifrågasatts i en rad sammanhang. Kritiker har bl.a. talat om risken för en möjlig omvandling av montmorrilonit – som är huvudbeståndsdelen i natriumbentonit – till illit, vilket på- skyndas av förhöjd temperatur och kaliumjoner från omgivande kaliumhaltiga t.ex. i återfyllningen. Lermineralet illit påminner om montmorrilonit men med mer kisel utbytt mot aluminium i skiktstrukturen, vilket leder till en ökad negativ laddning. Den negativa laddningen kompenseras av starkt adsorberade kaliumjoner som lätt kan avge sitt omgivande vattenhölje, vilket ger inga eller mycket dåliga svällningsegen- skaper i vatten. En sådan omvandling skulle innebära att buffer- ten krymper med eventuell sprickbildning som följd. KASAM har tidigare föreslagit att SKB skall undersöka hur en begränsad omvandling till illit respektive kalciumbentonit på- verkar buffertens egenskaper, men att helt ersätta natriumbento- niten som buffertmaterial kräver mycket omfattande studier med avseende på de av SKB uppsatta kriterierna. KASAM tolkar forskningsprogrammet i FUD-program 2004 som att SKB inser detta. En faktor som bara diskuteras i förbigående (avsnitt 17.1.4, 17.2.2 och 17.2.20 i FUD-program 2004) är förändringar av buffertens egenskaper till följd av den kraftiga bestrålning som bentoniten i kapselns närhet utsätts för. Dosraten uppskattas initialt till 0,5 Gy/timme vilket ger ca 4 kGy . Dosbidraget domineras av 137Cs som har halveringstid varför effekten är av intresse under de första århundradena. Det är rimligt att tro att de då uppnådda stråldoserna, upp till några hundra kGy, skulle kunna ge mikrostrukturella förändringar av bentoniten som i sin tur skulle kunna påverka adsorptionskapacitet, gas- transport m.m. KASAM bedömer det som viktigt att SKB redo- visar egna och andras forskning på området och vid behov kompletterar denna forskning. Den omättade buffertens vattenadsorption från omgivningen är en kritisk process, som i många avseenden kommer att påverka dess framtida egenskaper med avseende på t.ex. tätning mot kapsel och omgivande berg, porstruktur och därigenom diffu- sionsvägar för lösta ämnen och gaser. Eftersom vattenmättnaden i detta inledande skede till stor del kommer att ske genom s.k. advektion (tryckinducerat flöde) på grund av undertryck i buffertens porer kommer joner från omgivande vatten att för- hållandevis snabbt transporteras relativt långt in i bufferten. Detta sker dessutom under inverkan av en temperaturgradient där området närmast kapseln har en temperatur på medan de delar av bufferten som befinner sig närmast omgivande berg kommer att anta dess temperatur. Detta förhållande kommer säkert att bestå beroende på tillgången av vatten från omgivningen och dess sammansättning. Bentonitens egenskaper med avseende på sväll- ningshastighet och -nivå påverkas av temperaturen. Det gäller även porvattnets löslighet av olika ämnen. Sänkt temperatur kan orsaka utfällning av t.ex. kalcit, gips och kalciumsilikater och därigenom förhindra eller försvåra ytterligare vattentransport och fortsatt svällning under detta inledande skede. Dessa heterogena förhållanden under vattenupptagningen kan enligt KASAM:s mening leda till att det kan uppkomma lång- siktiga defekter i buffertens funktion och konsekvenserna av detta bör därför studeras speciellt. Det kommer att vara speciellt viktigt att tätningen mot kapseln är så bra som möjligt för att förhindra transport av korrosiva ämnen och bakterier. En viktig parameter i bufferten är densiteten, som på grund av heterogena förhållanden under svällning kan variera avsevärt på olika ställen och i olika riktningar. Eftersom denna i sin tur på- verkar en hel rad andra egenskaper (t.ex. porstorlek, porvatten- sammansättning, jondiffusion, mikrobiell aktivitet) kommer detta att få konsekvenser för buffertens egenskaper. Ett högt värde på densiteten är kritiskt för bentonitbuffertens egenskaper vilket har redovisats i en lång rad rapporter från SKB och i av andra publicerade vetenskapliga arbeten. Således är bentonitbuffertens densitet i vattenmättat tillstånd avgörande för t.ex. radionuklidernas diffusion, gaskonduktivitet och mikro- biell aktivitet. Kompakterad bentonit kommer att svälla i kontakt med grundvattnet i slutförvaret. Buffertens slutliga densitet och sväll- tryck blir beroende av vattnets sammansättning, temperaturen, den volym som skall fyllas ut i borrhålet och av mottrycket från omgivningen. Dessa parametrar kan samtliga variera mer eller mindre. Hur kan man under dessa omständigheter försäkra sig om att bentonitbufferten i förvaret har de egenskaper med avseende på t.ex. densitet, som har utgjort förutsättningarna i de forsknings- rapporter och studier som SKB refererar till? Dessa frågeställningar har i tidigare granskning av FUD- program 2001 framförts av KASAM och behovet är fortsatt stort att få svar på dessa frågor inte minst i samband med att SKB nu avser att testa nya buffertmaterial. SKB redovisar att man genomför ett relativt om- fattande forskningsprogram gällande studier av gastransport genom bentonit. Som sägs i FUD-program 2004 är nuvarande kunskap i stort sett enbart baserad på experiment i relativt liten skala. Det är därför anmärkningsvärt att SKB på andra ställen i programtexten redan nu tycker sig veta att bentoniten kan öppna sig och släppa ut stora mängder gas utan att egenskaperna egent- ligen försämras. Enligt KASAM:s mening är denna slutsats av SKB, inte minst mot bakgrund av vad som sägs i föregående avsnitt, mer att be- trakta som en förhoppning än ett bevisat påstående. KASAM vill understryka behovet av fortsatt forskning inom området. KASAM har i sin granskning av FUD-program 2001 ansett att det går att åstadkomma en mer sofistikerad sorptionsmodell av radionuklider och andra joner i bufferten. I en helt nypublicerad rapport, Migration parameters for the bentonite buffer in the KBS-3 concept, SKB TR-04-18, har ett urval av transport- parametrar för radionuklider i en buffert av MX-80 bentonit redovisats. Om en skada uppstår på kopparkapseln och vatten kommer i kontakt med insatsen av järn kommer det att bildas vätgas i kapseln genom reduktion av vatten genom reaktionen: 3 Fe(s) + 4 H2O(aq) Fe3O4(s) + 4 H2(g). Vätgasen skall därefter på ett eller annat sätt transporteras genom bentonitbufferten. Trycket av den gas som bildats genom anoxisk korrosion, radio- aktivt sönderfall och radiolys av vatten måste troligen vara högre än ca 12 MPa innan någon väsentlig sprickbildning i bentoniten kan initieras. (Se KASAM:s rapport på kärnavfallsområdet 2001, SOU 2001:35, s. Transport av löst gas genom bentoniten kan dock ske vid mycket lägre gastryck även om det då sker mycket långsamt. (SKB i FUD- program 2004). Det kan vara intressant att göra en enkel överslagberäkning på hur långsamt detta går under förutsättning att den hydrauliska konduktivi- teten är försumbar. Lösligheten av gaser i vatten bestäms av lag, XB = PB/KH, som förutsäger att lösligheten XB beror av gasens partialtryck PB och som beror av vattnets temperatur och jonstyrka men naturligtvis även på vilken gas som avses. Om lag följs exakt skall lösligheten öka linjärt med trycket och det stämmer ganska bra för t.ex. H2, He och N2 upp till ca 107 Pa, dvs. inom det tryckområde som är aktuellt i förvaret. för H2 är 1260 bar/(mol/L) , vilket inne- bär att jämviktskoncentrationen för H2(aq) i omgivande porvatten blir 1 106 10-5/1260 mol/L /L = 2 vol % vid trycket 1 MPa. Diffusiviteten (D) för H2(aq) är 4,5 10-5 cm2/s () och med hjälp av formeln x2 = 2Dt kan man få en uppfattning av den genom- snittsdistans som en löst vätgasmolekyl kan färdas (ca 0.5 m) vilket torde bli en betydligt kortare sträcka i bufferten med tanke på dess komplicerade porstruktur. I ovanstående beräkning har ingen hänsyn tagits till koncentrations- gradienten men denna påverkar inte resultatet särskilt mycket. gäller att avgörande parametrar i detta samman- hang utgörs av s.k. fördelnings-koefficienter (Kd) som är kondi- , vilket betyder att de är giltiga vid en viss temperatur, jonstyrka, densitet, porvattensammansättning, pH, redox-för- hållande etc. Eftersom samtliga parametrar kan variera på olika ställen, till och med i samma slutförvar, medan distributions- koefficienterna bestämts måste de uppmätta värdena extrapoleras, vilket medför stora osäkerheter. I rapporten ovan argumenteras för användning av kondi- konstanter snarare än termodynamiska modeller. En genomgående motivering är att förhållandena i slutförvaret är alltför speciella för att kunna fångas in av termodynamiska para- metrar. Med tanke på hur SKB har hållit på med egen forskning inom detta område och dessutom initierat diffusions- studier i bentonit vid olika universitet är det märkligt att man inte har funnit det nödvändigt att jämföra resultaten från en termodynamisk sorptionsmodell med de migrationsmodeller man genomgående har redovisat. KASAM anser att en sådan jämförelse kunde och borde ha genomförts av SKB för åtminstone någon viktig positiv jon i sammanhanget (t.ex. cesiumjon, Cs+) och en viktig anjon (t.ex. jodidjon, I-) med syfte att bestämma om det går att åstadkomma en mer generell modell för transport av radionuklider genom bufferten. KASAM beklagar att SKB i FUD-program 2004 uttalar att sorption i bentonit inte kommer att vara ett prioriterat område. SKB bör föreslå gränsvärden för föroreningshalter i bento- nitbufferten. Buffertens funktion som en följd av kombinationer av föro- reningar bör utredas. Konsekvenserna av en trolig omvandling från Na-bentonit till Ca-bentonit respektive en begränsad illitisering bör undersökas. SKB:s egen och andras forskning med avseende på strål- ningens inverkan på bufferten bör redovisas. SKB bör redovisa hur man kan säkerställa att buffertens densitet kan upprätthållas på en tillräckligt hög nivå i för- varet. KASAM anser att SKB:s forskning med avseende på gas- transport i stor skala genom bentonit är angelägen. En övergripande termodynamisk modell för transport av de viktigaste radionukliderna genom bentoniten bör upprättas. Återfyllningen av alla deponeringstunnlar och andra håligheter i berget som åstadkommits i samband med byggandet av förvaret är en kritisk process för förvarets fortsatta funktion. SKB slår i FUD-program 2004 fast att återfyll- ningen i tunnlarna inte utgör någon egen barriär i KBS-3 konceptet men att den är nödvändig för att bufferten och berget skall få önskad funktion. SKB har dessutom identifierat och formulerat de krav som ställs på återfyllningen i ett antal satser: Återfyllningen skall ha en styvhet som minimerar buffertens expansion uppåt för att bibehålla buffertens densitet. Återfyllningen skall ha en hydraulisk konduktivitet, som är jämförbar med det omgivande bergets. Deponeringstunnlar kan annars utgöra konduktiva vägar, som påverkar vatten- omsättningen i förvaret. Återfyllningen skall uppnå ett visst svälltryck mot taket för att bibehålla en svällförmåga, som kan täta eventuella effek- ter av kanalbildning och kryprörelser. Återfyllningen får inte ha någon negativ påverkan på barriärerna i förvaret vilket ställer krav på den kemiska sammansättningen. 10.2KASAM:s överväganden och bedömning KASAM:s kommentarer i det följande är i huvudsak hänförliga till kap. 18 i FUD-program 2004. Återfyllningen är en kritisk process som fordrar särskild uppmärksamhet. Återfyllningsmaterialets kvalitet har en av- görande betydelse för förvarets framtida funktion. Den tekniska lösning som SKB väljer måste också ge tillräcklig täthet mot tak, väggar och golv, för att förhindra transportvägar för vatten. KASAM vill understryka behovet av realistiska försök med syfte att fastställa optimal teknik. KASAM har i alla tidigare yttranden över SKB:s FUD- program (och senare) understrukit återfyllningens viktiga roll för förvarets långsiktiga funktion. I samtliga dessa yttranden har problemen med att säkerställa kvaliteten med av- seende på ovanstående identifierade kriterier uppmärksammats. KASAM har betonat att återfyllningens uppgift att upprätt- hålla densiteten i bentonitbufferten, genom att stå emot sväll- ningen, bör prioriteras. Dessutom har KASAM rekommenderat SKB att göra funktionsanalyser med avseende på olika typer av återfyllning, inklusive enbart naturliga leror, blandningar av bergkross och lera samt enbart bergkross med optimal storleks- fördelning för att ge maximal motståndskraft mot samman- pressning av svällande bentonit. KASAM har också rekommenderat SKB att sätta en begräns- ning för mängden kalium i återfyllningen, för att minska risken för negativ påverkan på bentonit-bufferten genom en långsiktig omvandling av bentonit till illit. SKB betonar tydligt att återfyllningen inte utgör någon egen barriär. Eftersom det är ett viktigt krav att den hydrauliska konduktiviteten skall vara av samma storleksordning som i det omgivande berget, som ju är en naturlig barriär, är det svårt att inse vad detta förtydligande innebär. Återfyllningen består i det ursprungliga referenskonceptet av en blandning av mineralpartiklar. En sådan konstruktion innebär en helt naturlig förekomst av vatten i olika former. Förutom mer eller mindre obundet vatten och hydratiserade joner kommer det att finnas porvatten, ytadsorberat vatten och kemiskt bundet vatten i kristallstrukturer i ursprungliga och sekundärt utfällda . Tillsatsen av svällande leror kommer att innebära en viss om- fördelning av tillgängligt vatten och en genomsnittlig minskning av porstorleken, men blandningen av olika mineralpartiklar med varierande storlek gör att återfyllningen knappast blir homogen. Det kommer följaktligen att finnas fler och tydligare diffusions- vägar för radionuklider, joner, kolloider och gaser i återfyll- ningen än i bentonitbufferten och även jämfört med omgivande berg i varje fall om detta inte innehåller större sprickbildningar. En fördel i sammanhanget är dock att sorptionsytan är betyd- ligt större i återfyllningen än i omgivande berg. En så homogen partikelstorleksfördelning som möjligt i återfyllningen är troligen att föredra och KASAM stöder därför SKB:s planer på att närmare studera koncept B (enbart svällande lera) tillsammans med fortsatta studier av ursprungskonceptet A (blandning av bentonit och ballast) (s. 232 i FUD-program 2004). Återfyllningskoncepten bygger på att vattentransporten är låg, med målsättning att den skall vara av samma storleksordning som omgivande berg. Detta kan endast uppnås om densiteten är hög och tätningen mot väggar och framför allt tak är tillräckligt bra. Förekomst av spalter i återfyllningen innebär en stor risk för strömmande vatten och därmed för en snabb erosion och transport av kolloider. KASAM stöder därför SKB:s motivering för att i första hand använda svällande leror. Svällande lera enligt koncept B innebär troligen en mindre risk för tillförsel av kemiska ämnen, t.ex. kaliumjoner, som kan orsaka skador på bufferten. Om SKB slutligen väljer att använda sig av koncept A anser KASAM att gränsvärden bör sättas för sådana ämnen, som kan vara skadliga för bufferten. Den förhållandevis stora expo- nerade ytan av partiklar i bergkross leder primärt till en ökad löslighet av ingående . Detta kan jämföras med de restrik- tioner som gäller för krossat berg och grus vid användning i betong. KASAM håller med om de synpunkter som SKB framför på s. 236-239 med avseende på advektion, osmos, jonbyte, mont- morrilonitomvandling och mikrobiella processer. KASAM vill dock understryka att dessa processer blir principiellt olika i de olika koncepten (A och B), som SKB avser att utreda vidare. Enligt koncept A kommer återfyllningen att bestå av olika typer av mineralpartiklar tillsammans med bentonit. Dessa partiklar kommer följaktligen att vid samma yttre förhållanden ha olika egenskaper, såsom ytladdning, typ av ytaktiva grupper, adsorptionsförmåga etc. vilket sammantaget gör att t.ex. fast- läggning av radionuklider och mekanismer för transport blir mer komplicerade. När det gäller radionuklidtransport i återfyllningen genom diffusion säger på s. 239 att den är av underordnad be- tydelse men på följande sida anser SKB att specieringen har betydelse för sorption och diffusion. – Vad menar man egentli- gen? Varför är specieringen viktig om processen är av under- ordnad betydelse? KASAM anser att SKB tar för lätt på betydelsen av transport av radionuklider genom återfyllningen. Densiteten kommer troligen att vara lägre i återfyllningen än i bufferten och därmed blir diffusionsvägarna kortare och mer betydande. Den lägre densiteten i återfyllningen kommer att leda till en ökad mikrobiell aktivitet. SKB tycks anse att detta enbart är positivt genom att det bidrar till syrereduktionen. värd konsekvens av bakteriell verksamhet är dock troligen en ökad lakning av de mineralpartiklar som ingår i återfyllningen enligt koncept A. Detta kan i sin tur inverka negativt på bentonitbufferten. KASAM uppmanar SKB att närmare studera vilka långsiktiga konsekvenser detta kan få. Återfyllningens uppgift att upprätthålla bentonitbuffertens densitet bör prioriteras. KASAM stöder SKB:s avsikter att undersöka återfyllning med enbart svällande leror (koncept B) för att åstadkomma maximal tätning mot väggar och tak.