sou · GWB370 · 2008-07-03 00:00:00 — För att kunna kvalificera dessa tekniker man måste känna till förväntade diskontinuiteter och ha preliminära acceptanskriterier. För att förstå resultaten bättre måste materialstruktur, geometri och provningssystem granskas för att förstå eventuella begränsningar i provningsför- farandet. Tillförlitligheten hos de utvalda metoderna bör studeras för att ta fram underlag inför kvalificeringar av metoder för oför- störande provning av insatser. Kvalificeringsprocessen kräver analys av ett antal referenskroppar med simulerande defekter för att visa hur stora defekter systemet kan detektera pålitligt. Alla kopparkomponenter kontrolleras med OFP för att hitta eventuella avvikelser och diskontinuiteter i materialet och för att bekräfta att tillverkningen fungerar acceptabelt. Ultraljud är den mest fördelaktiga tekniken för kopparkomponenter, men material- strukturen (främst kornstorleken) påverkar ultraljudsprovningen. Lokala strukturvariationer i kopparrör och kopparlock orsakar ojämn dämpning vid ultraljudsprovning. Därför måste extrusions- och smidesprocessen ännu utvecklas t.ex. genom optimering och genom ökad processkontroll. kommer befintliga tekni- ker av såväl ultraljud och röntgenradiografi att undersökas, optime- ras och kvalificeras genom praktiska försök och modellering för OFP av kopparhöljet och svetsar. Förutom ultraljud och röntgen- radiografi kan virvelströmprovning användas för att upptäcka defekter på eller nära kopparkapselns yta. Denna metod planeras inte att användas av SKB för att ytnära defekter inte förväntas leda till problem för den långsiktiga säkerheten i förvaret. Eftersom kapselytan måste motstå korrosion är det viktigt att det finns inte några ytnära defekter i en färdig kapsel. Ytprovning är ändå mycket viktig och SKB måste bestämma vilka provmetoder som kommer att användas för detta ändamål. Konstruktionsförutsättningarna utgörs av dels krav på säker hante- ring och lyftning av kapseln vid inkapsling och deponering, dels grundläggande krav på den långsiktiga säkerheten i slutförvaret. Efter deponering kommer kapseln att stå i luft med hög fuktighet vid en temperatur av 90–, som är kopparkapselns maximala temperatur i slutförvaret, innan vattenmättnad av den omgivande bentoniten skett, vilket sker inom 10–(initialtillstånd). Salt- deponeringar förväntas inte uppkomma på kapselns yta. Den ter- miska konduktiviteten hos en metall är hundratals gånger högre än i bentoniten och berget. Därför förväntas kapseln att ha en jämn temperatur som långsamt sjunker till omgivningens temperatur inom 10 . SKB undersöker hur kapselns insats och hölje deformeras på grund av yttre påverkan, t.ex. hydrostatiskt tryck, jordbävningar och glaciation, och av inre påverkan genom bildning av korrosions- produkter i kapseln. Den stråldos som segjärnsinsatsen utsätts för kan leda till materialförsprödning, som utreds. Korrosion av koppar, både allmän, mikrobiell och spänningskorrosion, har ännu kvarstående öppna frågor. Krypning sker under mekaniska på- känningar på kopparkapseln, vilka kan delas i fyra faser: vatten- mättnadsfasen, den tempererade och permafrostfasen, den glaciala fasen samt den postglaciala fasen. Vattenmättnadsfasen inträffar strax efter förslutningen av förvaret. Isostatisk tryckuppbyggnad runt kapseln sker på grund av grundvattentryck och svällning av bentoniten. Tryckojämnheter i kapseln kan uppstå som följd av ojämn svällning av bentoniten eller skillnader i bentonitens täthet, vilket orsakar böjspänningar i kapseln, upp till 55 MPa, och lokal plasticering av kopparhöljet. Under den glaciala fasen orsakar isbildningen en långsam isostatisk tryckuppbyggnad i förvaret, upp till 45 MPa. Enligt hållfasthetsberäkningarna och snabba tryckprov motstår kapseln ett yttre tryck på MPa. Därför bedöms sanno- likheten för en kapselkollaps att vara liten, men kan oväntade, tidsberoende effekter uppstå genom kryp- ning av segjärnsinsatsen och kopparkapseln under det mycket långa tidsperspektivet. Under det postglaciala tillståndet sker en långsam trycksänkning i förvaret och jordbävningar kan uppstå, vilket kan påverka kapseln mekaniskt när befintliga sprickor i deponerings- hålen aktiveras och orsakar skjuvningar. Oxidation av koppar sker redan under deponerings- och hante- ringsskedet samt den ledande tempererade fasen. I slutförvaret kommer kopparkapslarna att exponeras för både allmän och lokal korrosion av olika typ, i komplexa kemiska, mikrobiella och meka- niska miljöer, som dessutom varierar och rum. Spännings- korrosion i koppar sker när speciella förhållanden med avseende på dragspänning, aerob miljö och vissa föroreningar (ammonium, nitrit, osv.) samt mycket långsam töjningshastighet är närvarande. Spänningskorrosion sker i närvaro av en Cu2O/CuO-komplex film på kopparytan. har experimentella resultat publicerats som antyder att spänningskorrosion kan förekomma också i en sulfid- haltig miljö. Av speciellt intresse är att kvantifisiera spännings- tillståndet i kopparhöljet och i svetsar och att både på experimen- tellt och mekanistiskt sätt analysera olika kemiska förhållanden omkring kapseln för att utesluta spänningskorrosionsrisken under reducerande betingelser. Koppar kan oxidera med syre, klorid-, sulfat- och nitratjoner i grundvattnet. Den viktigaste processen för allmän korrosion är sulfidkorrosion som sker i förvaret . Sulfidjoner i grundvattnet reagerar med koppar och kopparsulfid bildas. Olika kopparoxidfilmers betydelse för korrosion av koppar, särskilt i klorid- och sulfidhaltiga vatten, samt mikrobers möjligheter att överleva i bufferten och möjligheten av biofilm på kapselytan och den eventuella betydelsen av detta ska undersökas. Mikrobiella processer kan ge upphov till bildning av sulfid (sulfatreducerande bakterier) som orsakar kopparkorrosion genom bildning av kopparsulfid. Kopparkorrosion i anaeroba kloridlösningar som innehåller sulfid måste undersökas vidare både från geokemiska och mikrobiella synpunkter. Målet för dessa korrosionsundersökningar är att utveckla en korrosionsmodell som kan användas i säkerhets- analysen. För att koppar ska korrodera i vatten krävs löst syre, höga kloridhalter, låga pH-värden eller löst sulfid. Szakalos et al. (Corrosion of Copper by Water. Electrochemical and Solid-State Letters, 10(11) C63-C67, 2007) har meddelat att korrosion av koppar genom väteutveckling kan ske även i rent, avjoniserat, syrefritt vatten vid . Forskarna anser att deras nya resultat visar att korrosionsegenskaperna för kopparkapslar i slutförvaret av använt kärnbränsle inte är tillräckligt bra och att KBS-3 konceptet delvis bör omprövas. Enligt forskarna är korrosionshastigheten av koppar i rent syrefritt vatten av storleksordningen mikrometer . Det är nu viktigt att den nya frågeställningen om korrosion av koppar i syrefritt vatten undersöks grundligt. Provning av krypegenskaperna hos koppar har pågått och har undersökningarna börjats för EB och FSW svetsar. Effekten av långsam pålastning och krypning i fleraxiellt spänningstillstånd undersöks. En validerad krypmodell måste tas fram för att olika tidsberoende förlopp ska kunna beaktas såsom eventuell postglacial skjuvning av kapseln. Också inverkan av fos- for på kryphållfastheten hos rent koppar, fosforns långtidsstabilitet och roll för krypegenskaper måste utredas vidare för att uppnå en tillförlitlig mekanistisk förklaring. Tillsammans med koppars kryp- egenskaper måste också krypegenskaper av segjärnsinsatsen för- tillsammans med andra tidsberoende fenomen, såsom för- sprödning och vätets påverkan på segjärn. Kallbearbetningseffekter hos koppar orsakad av tillverkning och hantering måste analyseras noggrant och utvärderas i avseende på krypegenskaper, rest- spänningar och spänningskorrosion. Av största intresse är att studera vilka diskontinuiteter som kan accepteras i segjärnsinsatsen med hänsyn till den spänningsnivå som kan uppstå. Undersökningen ger underlag till kvalitetskontroll av insatsen med oförstörande provning. Också skador som even- tuellt uppstår under hanteringen måste analyseras så att kapselns långsiktiga integritet inte påverkas av effekter som uppstår under hantering. Postglaciala jordbävningar kan orsaka skjuvlaster och plastisk deformation av kapseln som påverkar såväl kopparhöljet som seg- järnsinsatsen. Dessa skjuvningar beror både på geologiska händel- ser och bentonitbuffertens mekaniska egenskaper. Den totala sam- verkande spänningsnivån som kan uppstå i kapseln under olika kombinerade belastningar (skjuvning och isostatisk last ) bör kritiskt fastställas och en skadetålighetsanalys, i vilken både deterministiska och probabilistiska kriterier ingår, bör genomföras. Skjuvningshastigheterna är höga och senare tidsberoende töjnings- hastigheter i koppar och gjutjärn är långsamma. Därför måste också inverkan av töjningshastigheten på koppar och gjutjärn undersökas i kommande hållfasthetsanalyser. En sammanställande hållfasthets- analys av kapseln inklusive säkerhetsmarginaler, som garanterar den långsiktiga säkerheten, saknas . Material och gjutningsprocess för segjärnsinsatsen måste opti- meras så att specificerade krav kan uppfyllas. Annars måste någon annan typ av material användas. För att garantera tillförlitligheten under hela kapseltillverkning- en och slutförvarsperioden måste kvalitetskrav med avseende på tillverkningsdefekter i kapselns alla delar, inklusive svetsar, utvecklas. Dessa kriterier bör beakta materialstruktur, material- egenskaper och defekter såväl i kopparhöljet som i gjutjärns- insatsen. Kvalitetskraven måste verifieras med metoder för oför- störande provning (OFP). Fortsatta korrosionsstudier erfordras inom olika områden: acce- lererade långtidsförsök för spänningskorrosion, allmän korro- sion i klorid- och sulfidhaltiga vatten med bentonit, och mikro- biell korrosion. Mekanismer av kopparkorrosion i syrefritt vatten måste under- sökas experimentellt för att bevisa om korrosion av koppar genom väteutveckling kan ske i rent, avjoniserat, syrefritt vatten och i grundvatten med bentonit. 8.1Kvalitetskontroll med avseende på bentonitkvalitet i slutförvaret Eftersom bufferten är en så central komponent i slutförvaret måste uttryck som tillräckligt bra egenskaper underbyggas med speci- fika krav på de viktigaste egenskaperna som svällbarhet1, hydraulisk konduktivitet2, kemisk och fysikalisk stabilitet3 etc. preciseras (se närmare beskrivning under rubriken referens nedan). En hög halt av montmorrilonit är viktig för att få en god sväll- barhet men inga ansatser för att fastställa gränsvärden för accep- tabel halt har ännu redovisats i forskningsprogrammet. Övriga icke-svällande sekundära lermineral som vanligen före- kommer i bentonit är illit och kaolinit dock oftast i låga halter. Andra vanliga s.k. primära av betydelse i bentonit är kvarts, fältspater, kalcit, gips, siderit och pyrit. Den relativa förekomsten av dessa och deras respektive partikelstorleksfördelning påverkar bentonitens egenskaper på olika sätt. Bland förekommande är kvarts och fältspater (silikater) dominerande (15–) och av dessa är kvarts mer stabil mot om- vandling och upplösning i kontakt med vatten. Reaktioner med vatten är starkt pH-beroende och medan kvarts i huvudsak kan för- väntas reagera vid höga pH-värden (pH>9) så sker upplösning och ytomvandlingar på fältspater redan i neutral och svagt sur miljö. 1Svällbarhet innebär att en hög densitet kan upprätthållas. 2Hydraulisk konduktivitet innebär låg vattengenomsläpplighet. 3Kemiska och fysikalisk stabilitet innebär mindre risk för omvandling och god mekanisk hållfasthet. Det finns några olika sätt att definiera mineralpartiklars ytladd- ning varav pzc (point of zero charge) är det vanligaste. Pzc kan definieras som det pH-värde då ytan har en nettoladdning lika med 0. Om pH är lägre än pzc för ett visst är ytan positiv och vid högre pH alltså negativ. Pcz-värden för kvarts och fältspater är ungefär 2–2.5, vilket be- tyder att båda mineralen har negativt laddade ytor i det för slut- förvaret aktuella pH-området och kan därför bidra med att adsor- bera positivt laddade joner i buffert och återfyllning. Partiklar av dessa ökar dock troligen porositeten i ben- tonit genom sin relativa storlek i förhållande till partiklar av mont- morrilonit och att de är relativt sett mindre påverkade av vatten. Detta påverkar i sin tur den hydrauliska konduktiviteten. Kalcit och pyrit har båda effekter på porvattnets pH-värde men på olika sätt. Kalcit är relativt lättlösligt och är ett basiskt som kan neutralisera syror och upprätthålla alkaliska förhållande i bufferten vilket i allmänhet är en fördel. Pyrit reagerar med och förbrukar löst syre i vattnet och gör där- med miljön mindre korrosiv för kopparkapseln. Reaktionerna med syre sänker dock pH-värdet och kombinationen med kalcit är där- för önskvärd. Gips är förhållandevis lättlösligt och bidrar till att kalciumjoner och sulfatjoner kan transporteras i porvattnet och orsaka utfäll- ningar av sekundära . Det har dock ingen större effekt på pH-värdet i bufferten. Gips har liksom kalcit den något ovanliga egenskapen att vara mer svårlöslig vid högre temperatur. Det be- tyder att de har en tendens att bilda utfällningar nära koppar- kapseln (som ju har en högre temperatur) i bufferten. Grundvattnet innehåller ofta både kalciumjoner och vätekarbo- natjoner och med tanke på att det råder mycket höga tryck i bufferten kommer jontransport följt av utfällningar och nybild- ningar av fasta ämnen att ske. Rådet anser att SKB bör redovisa ett kvalitetsprogram avseende bentoniten till slutförvaret. En kvalitetskontroll bör omfatta den totala mineralsammansättningen såväl som koncentrationen av organiska och oorganiska föroreningar. 8.2Några synpunkter på SKB:s forskningsprogram med avseende på buffert Bentonitbufferten är en av de viktigaste komponenterna i slutför- varet. Bentonitens egenskaper och förväntade processer i buffert och återfyllnad är av avgörande betydelse för den långsiktiga säker- heten och utgör viktiga delar i säkerhetsanalysen. En av buffertens viktigaste uppgifter är att förhindra eller fördröja både transport av radionuklider från en eventuellt läckande kopparkapsel och tran- sport av korrosiva ämnen till kapseln. har i en rad tidigare granskningar av SKB:s forskningsprogram bland övriga synpunkter efterlyst en mer sofi- stikerad modell för sorption av olika joner i bentonitbufferten. En sådan modell beskrivs i Bilaga 3. I Fud 2007 anser dock SKB att sorption i bentonit inte är ett prioriterat forskningsområde. Rådet uppmanar dock SKB att upprätta transportmodeller genom bento- niten för de viktigaste radioaktiva isotoperna med positiv resp. negativ laddning. har forskning och utveckling i SKB:s regi utgått från att det är Natriumbentonit av typ Volclay MX 80 som ska användas och dess goda egenskaper med avseende på svällning, självläkning, gaspermeabilitet, hydraulisk diffusion, fientlighet mot mikrober, retentionsförmåga mot jontransport, mekanisk flexibilitet mot mindre rörelser i berget och kemisk stabilitet varit noggrant studerade och beskrivna. I Fud 2004 antydde SKB att man avsåg att testa andra sorters bentonit för att få referenser till MX 80, vilket rådet uppmuntrade i sitt yttrande (Kärnavfall – barriärerna, biosfären och samhället, SOU 2005:47). Rådet uttryckte emellertid en oro över att SKB i ett mycket tidigt skede drog slutsatsen att kalciumbentonit har i stort sett lika bra egenskaper och i Fud har SKB helt lämnat MX 80 som referensmaterial. Det är onekligen oväntat snabbt marscherat och i Fud skriver SKB att det finns ett flertal natrium- och kalciumbento- niter på marknaden som mycket väl kan uppfylla SKB:s krav. SKB medger att kalciumbentoniten har minskad svällningspotential men anser att den har likvärdiga egenskaper vid samma buffert- densitet. Rådet har i en tidigare kunskapslägesrapport (Kunskapsläget på kärnavfallsområdet 2001, SOU 2001:35) beskrivit skillnaden mellan absorption av vatten i natrium- och kalciumbentonit på viss detalj- nivå. Litteraturdata visade då att skillnaden i svällningspotential är 2-3 lägre för europeisk bentonit än MX 80. En långsiktig fördel med kalciumbentonit skulle kunna vara att grundvattnet ofta innehåller kalciumjoner och att ett jonbyte mellan natriumjoner i natriumbentoniten och kalciumjoner i grundvattnet ändå skulle medföra en viss omvandling. Om man från början använder en kalciumbentonit med högre torrdensitet skulle en sådan långsiktig omvandling möjligtvis vara mindre dramatisk än med motsvarande natrium-bentonit. Vilka egenskaper är avgörande? Det finns dock en lång rad av andra egenskaper som också är viktiga för den långsiktiga säkerheten och här är osäkerheten mycket större. Hur påverkas t.ex. förmågan till självläkning (som ju är kopplad till svällningspotentialen), hydraulisk diffusion, gaspermeabiliteten och retentionsförmågan mot radionuklider och övriga joner samt den kemiska stabiliteten av vilken typ av bentonit som används? En mycket viktig faktor i sammanhanget är förmågan att motstå erosion, dvs. bildande av mycket små partiklar (av storleksord- ningen mikrometer) som dels utarmar bufferten, dels kan transpor- tera radionuklider från förvaret. Så länge man använde sig av MX 80 som referensmaterial hade man ju dess egenskaper att utgå från och jämföra med men hur gör SKB nu? Hur kommer man att prioritera olika (ibland kanske mot- stridiga) egenskaper och hur fastställs gränsvärden för dessa? Bentonitens sammansättning och struktur Bentonitens sammansättning med avseende på. mineralfördelning och föroreningar av olika slag (organiska och oorganiska) är natur- ligtvis också viktig att veta och bör kontrolleras. Rådet har gett sina synpunkter på detta i ett särskilt textavsnitt. Rådet har i tidigare yttrande ansett att SKB bör föreslå gränsvärden för föroreningshalter i bentonitbufferten samt kombinationer av dessa. Denna uppmaning gäller . Porvattnets sammansättning i såväl omättad som mättad buffert kommer att vara direkt beroende av bentonitens sammansättning inte minst dess föroreningar. SKB anger i Fud att teknik för att bestämma montmorriloni- tens struktur skulle utvecklas. och man säger att tekniken för att bestämma det svällande mineralets strukturformel kommer att vidareutvecklas Det är visserligen alltid viktigt att öka sina kunskaper inte minst genom grundläggande studier men det är ändå litet svårt att förstå varför SKB prioriterar just denna forskning. På vilket sätt avser man att utnyttja de resultat man förväntar sig att få? Rådet håller med SKB om att vattentransporten i den omättade buffer- ten är en komplicerad process. Vattentransporten är beroende av ben- tonitens sammansättning m.a.p. svällande och icke-svällande kompo- nenter, den temperaturgradient som uppstår från kapseln genom ben- toniten, hur homogent vattnet tillförs och med vilken hastighet. Det är onekligen en av nyckelprocesserna i förvaret och kräver därför mycket forskning och utveckling i form av både experiment och simuleringar framför allt med den typ av bentonit som ska användas i bufferten. De försök och modellberäkningar som gjorts grundar sig såvitt Rådet förstår på MX 80 och återstår en lång rad tester med andra typer av bentonit. Inhomogen vattenmättnad och svällning i olika delar av bento- niten längs med kopparkapseln genererar olika tryck- och skjuv- spänningar som kan eventuellt rubba kapselns position i höjd- och/eller sidled. Under vattenmättnadsfasen kan svälltrycket åtminstone till- fälligt var helt olika i olika delar av deponeringshålet. Även denna oönskade process påverkas av materialegenskaper hos bentoniten som t.ex. hydraulisk konduktivitet och svällnings- egenskaper. Vattentransport och svällning av bentoniten innebär också det finns risk för kanalbildning och erosion. En okontrollerad erosionsprocess är onekligen ett hot mot buffertens långsiktiga funktion och måste be- gränsas till ett minimum. I dessa sammanhang är bentonitens hållfasthet väsentlig (ringar, block och pellets) som i sin tur beror på mineralsammansättning, typ och mängd av föroreningar och densiteten vid kompakteringen. Rådet uppmanar SKB att betrakta motståndskraft mot erosion som en viktig parameter vid det slutliga valet av typ av bentonit. Jonbyte/diffusion och speciering av radionuklider En av buffertens viktigaste roller som teknisk barriär beror på dess förmåga att förhindra transport av radioaktiva ämnen som joner eller kolloider från en ev. skadad kopparkapsel. Transporten av radioaktiva ämnen genom bentonit har under- sökts mycket noggrant och en genomgång av möjliga diffusions- vägar och mekanismer finns en Kunskapslägesrapport från KASAM 2001 (SOU 2001:35). Rådet har också beskrivit flera av de mekanismer som är aktuella vid transport av olika ämnen genom lermineral i ett särskilt avsnitt av detta yttrande. Generellt gäller att transporten av positivt laddade joner (kat- joner) och negativt laddade joner (anjoner) är principiellt olika varandra, genom att katjonerna diffunderar genom ytdiffusion i det s.k. Sternskiktet, dvs. skiktet av vatten molekyler som befinner sig närmast mineralytan medan anjonerna enbart diffunderar genom det s.k. intermediära vattnet längre ut från mineralytorna (se figur 8.1). Genom att transportmekanismerna för positiva och negativa joner genom bufferten är helt olika specieringen av radionuklider stor betydelse. De studier av redoxkinetik för olika oxiderade former av radio- nuklider som aviseras i Fud har därför rådets fulla stöd. Figur 8.1 Transporten av positivt och negativt laddade joner Bildning av kolloider av korrosionprodukter från kapseln (t.ex. magnetit) och därtill hörande adsorption och transport av radio- nuklider är också en kritisk faktor. Större kolloidala partiklar kan tänkas reducera antalet flödesvägar genom deponeras i bentonitens porer medan små oladdade kolloidala produkter som är opåverkade av laddningseffekter skulle kunna öka rörligheten av radioaktiva ämnen. Fördelningen av porernas storlek i bufferten är därför en viktig parameter som i sin tur också beror av bl.a. bentonitens samman- sättning. Det är genom dessa porer som oönskade transporter sker Valet av bentonit är alltså långtifrån någon trivial historia. Experimentella data tyder på att diffusionskoefficienterna är ungefär tio gånger högre i kalciumbentonit än natriumbentonit (, 1996) vilket visar att sammansättningen har stor betydelse för bentonitens egenskaper. Omvandlingen från smektit till illit har fått ett särskilt textavsnitt i detta yttrande. En speciell egenskap hos montmorrilonit är att det är ett lågt utbyte av fyrvärd kisel i de tetraedriska skikten (siloxanskikten) i mineralet. Illit karakteriseras bl.a. av ett utbyte av trevärd aluminium mot fyrvärd kisel i dessa skikt som ger upphov till negativt laddade yt- platser och en starkare adsorption av katjoner av vilka kaliumjoner har avgjort störst betydelse och gör att leran tappar sin egenskap att svälla i vatten. Omvandlingen från smektit till illit kan förväntas ta relativt lång men den högre temperaturen närmast kapseln och ökad tillgång på kaliumjoner från lakning av krossat berg och betong kan påskynda förloppet. Rådet har i tidigare yttranden uppmanat SKB att studera be- tydelsen av en begränsad illitisering och denna uppmaning kvarstår. De viktigaste egenskaperna hos materialet i bufferten bör spe- cificeras och gränsvärden med avseende på t.ex. svällningspotential, retentionsförmåga gentemot radionuklider, kemisk stabilitet, hyd- raulisk diffusion, motståndskraft mot erosion samt halt av föro- reningar (oorganiska såväl som organiska) bör fastställas. Mekanisk hållfasthet och kemisk stabilitet för kompakterade kom- ponenter i bufferten ska säkerställas. Transportmodeller för de viktigaste radioaktiva isotoperna (med positiv och negativ laddning) genom bentoniten bör upprättas. Redovisning och granskning av program för forskning och utveckling