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Technische Barrieren aus Ton, die Bentonit- oder Sand-Bentonit-Mischungen enthalten, werden im geologischen Tiefenlager für hochaktive Abfälle aufgrund der inhärent tiefen hydraulischen Leitfähigkeit bei Vollsättigung bevorzugt. Diese gewährleisten, dass die Diffusion der prioritäre Transportmechanismus von gelösten Stoffen, wie etwa Radionuklide, innerhalb der technischen Barrieren ist. Ein weiterer Vorteil von Bentonit ist dessen Quellfähigkeit, die bewirkt, dass der Bentonit bei konstantem Volumen und in Kontakt mit Wasser einen Quelldruck entwickelt, der dazu führt, dass unerwünschte Ausbrüche und Risse in den Lagertunneln geschlossen werden. Die Prognostizierbarkeit des Verhaltens von Bentonit ist daher für die Langzeit-Sicherheitsanalyse (bis zu einer Million Jahre) eines geologischen Tiefenlagers von zentraler Bedeutung.
Die Zerfallswärme des hochaktiven verglasten Abfalls und der abgebrannten Brennelemente wird in direkter Umgebung zu einer Temperatur führen, die während hunderten von Jahren signifikant höher als diejenige im ungestörten Opalinuston sein wird und damit die thermodynamische Stabilität und Umwandlungskinetik vom Smektitmineral Montmorillonit, dem Hauptmineral von Bentonit, beeinflussen könnte. Das Ziel dieses Berichts ist es, das heutige Verständnis von potenziellen Änderungen des Bentonits aufgrund von Experimenten und Modellierungen unter thermischen Bedingungen, die relevant für ein Tiefenlager sind, zu beurteilen.
Viele Studien zeigen, dass die Umwandlung von Smektit zu Illit durch steigende Temperaturen und Kaliumaktivität bewirkt wird. Der Umwandlungsprozess ist komplex und noch nicht vollständig verstanden. Nichtdestotrotz zeichnet ihn im Bereich der Temperaturen von Interesse und für ein breites Spektrum von Umgebungsbedingungen eine langsame Kinetik aus.
Aufgrund der relativ kurzen Dauer erhöhter Temperaturen und des langsamen diffusiven Stofftransports deuten die verschiedenen Modelle für die Illitisierung von Smektit auf eine vernachlässigbare Umwandlung hin. Wegen einer Anzahl von Ungewissheiten und konservativen Annahmen in der Anwendung solcher Modelle sind deren Resultate in erster Linie als abdeckend und indikativ und nicht als quantitative Vorhersagen zu betrachten.
Um potenzielle Änderung von sicherheitsrelevanten Eigenschaften von Bentonit während der Dauer erhöhter Temperaturen in einem geologischen Tiefenlager zu untersuchen, wurden zusätzlich zur Durchsicht von publizierten Studien drei Typen von Experimenten durchgeführt, deren Resultate wie folgt zusammengefasst werden können:
- Montmorillonite stability under
near-field conditionsHydrothermal-Experimente zur Smektit-zu-Illit-Umwandlung mit MX-80 Bentonit bei 270 °C und variabler Kaliumaktivität liessen keine Illitisierung nachweisen, weder im unbehandelten noch im mit Natrium ausgetauschten Bentonit, welcher mit "granitischem" Porenwasser reagierte, unabhängig davon, ob Kalifeldspat dazugegeben wurde oder in der Gegenwart eines erhöhten Sekundärmineralgehalts im ursprünglichen Bentonit.
- Experimente zur thermischen Stabilität von Montmorillonit bei 90 – 150 °C zeigen auf, dass Montmorillonit sich auflöst und Silikat freisetzt, was in einer Zunahme der Schichtladung in den Tetraederschicht führt. Montmorillonit wurde folglich in Richtung auf Beidellit umgewandelt – ein quellfähiges Smektitmineral.
- Experimente zum Einfluss von Wasserdampf auf die Quellfähigkeit von Montmorillonit zeigen auf, dass bis zu Temperaturen von 200 °C und unter Wasser-ungesättigten Bedingungen keine signifikante Reduktion der Quellfähigkeit von Montmorillonit auftritt.
Aufgrund der durchgeführten Versuche und der Durchsicht von publizierten Studien kann der Schluss gezogen werden, dass weder der Quelldruck noch die hydraulische Leitfähigkeit, welche wichtige Indikatoren für die Sicherheitsfunktionen der tonhaltigen Barriere sind, durch die thermisch transiente Phase in den besprochenen geologischen Tiefenlagern signifikant beeinflusst werden.