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Technical Report NTB 02-17
A Comparison of Apparent Diffusion Coefficients Measured in Compacted Kunigel V1 Bentonite with those Calculated from Batch Sorption Measurements and De (HTO) Data: A Case Study for Cs(I), Ni(II), Sm(III), Am(III), Zr(IV) and Np(V)
Im Rahmen der Sicherheitsanalyse "Entsorgungsnachweis" für hochradioaktive Abfälle wurde aus Batch-Sorptionsexperimenten eine Sorptionsdatenbank für Bentonit erarbeitet. Die in dispersen Systemen bestimmten Verteilungskoeffizienten (Kd) wurden vorerst in scheinbare Diffusionskoeffizienten (Da) umgerechnet, welche anschliessend für Berechnungen des diffusiven Transports in hoch-kompaktiertem Bentonit verwendet wurden. Diese Übertragung von Zahlenwerten aus verdünnten in kompaktierte Systeme ist zwangsläufig mit der Frage nach der Konservativität des Verfahrens verknüpft.
Der Vergleich von Kd-Werten abgeleitet aus Diffusionsexperimenten mit solchen aus Batchversuchen führt zu Diskrepanzen. In den meisten Fällen sind die "Batch"-Sorptionswerte grösser, in einigen Fällen sind sie wesentlich grösser. Obwohl in den letzten zwanzig Jahren solche Diskrepanzen immer wieder festgestellt und als generelle Tatsachen anerkannt wurden, gibt es erstaunlich wenig quantitative Studien, die sich direkt mit diesem Thema befassen. Verschiedenste Hypothesen, z. B. die "Oberflächendiffusion" oder auch der "Doppelschicht-Porenverengungs-Effekt" führten bisher nicht zu befriedigenden Erklärungen. Zur Klärung dieser Diskrepanzen muss berücksichtigt werden, dass berechnete Kd-Werte modellabhängig sind. Zu ihrer Bestimmung sind sowohl ein Diffusionsmodell als auch die zugehörigen Annahmen notwendig. Ausserdem wurde dem möglichen Einfluss der Wasserchemie bisher zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Kd-Werte können nämlich nur dann miteinander verglichen werden, wenn die chemischen Bedingungen in den Batchversuchen vergleichbar, oder aber der Porenwasserchemie des intakten Probenmaterials sehr ähnlich sind.
Die vorliegende Studie beschreibt Kd-Werte von Cs(I), Ni(ll), Sm(lll), Am(III), Zr(IV) und Np(V) an Na-Bentonit (Kunigel V1, mit Trockendichten zwischen 400 und 2000 kg m-3), berechnet aus publizierten "in-diffusion"-Daten. Für die im Endlager erwarteten Oxidationszustände der Elemente ist diese Sequenz ein repräsentatives Abbild.
Die Porenwasserchemie wurde für jede Trockendichte einzeln berechnet. Zusammen mit den Sorptionsmodellen und/oder den Sorptionsdaten aus Batchversuchen wurden damit die Kd-Werte für kompaktierten Kunigel V1 Bentonit vorausgesagt. Aus diesen Kd-Werten und aus effektiven Diffusionskoeffizienten (De) von tritiiertem Wasser (HTO) wurden die Da-Werte Funktion der Trockendichte abgeleitet und mit entsprechenden Da-Werten aus Diffusionsexperimenten verglichen.
Batch-Sorptions-und Diffusionsexperimente scheinen unterschiedliche Da-Werte zu liefern. Bleiben diese Unterschiede bestehen, wenn neueste wissenschaftliche Erkenntnisse auf Sorptionsprozesse und Porenwasserchemie spezifischer Systeme angewendet werden? Dies war eine der zentralen Fragen der vorliegenden Studie.
Es wird der vorläufige Schluss gezogen, dass sich in Diffusionsexperimenten gemessene und aus Batch-Kd / De (HTO) abgeleitete Da-Werte im allgemeinen nicht sehr unterscheiden. Die detaillierte Kenntnis der Porenwasserchemie ist dabei von entscheidender Bedeutung.