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Technischer Bericht NTB 91-14
Untersuchungen zum Verhalten von Bentonit in Kontakt mit Magnetit und Eisen unter Endlagerbedingungen
Das gegenwärtige Nagra-Konzept für die Endlagerung verglaster, hochradioaktiver Abfälle sieht vor, dass im Endlager diese von einem Stahlbehälter und hochverdichtetem Bentonit eingeschlossen werden. In Kontakt mit dem vom Bentonit aufgenommenen Wasser korrodiert der Stahlbehälter unter Bildung von Magnetit und Wasserstoff.
Im vorliegenden Bericht werden die Ergebnisse von Untersuchungen über den Einfluss von Magnetit und Eisen auf das Quellverhalten von Na-Bentonit MX-80 und Ca-Bentonit Montigel dargestellt. Die Experimente wurden unter Bedingungen, wie sie in einem Endlager erwartet werden, ausgeführt. Die Untersuchungen umfassten das Kationenaustauschvermögen, die austauschbaren Kationen und das Quellverhalten von NaBentonit MX-80 und Ca-Bentonit Montigel. Als Endlagerbedingung wurde eine Temperatur von 80°C unter anoxischer Atmosphäre (vornehmlich Wasserstoff-Gas) angenommen. Zusätzlich wurde das Verhalten von dreiwertigem Eisen im Zwischenschichtraum von Montmorillonit untersucht. Dazu wurde die Eisen(III)-Form der Bentonite hergestellt. Vor Versuchsbeginn, nach den Quellversuchen und Aufbewahrung unter den angenommenen Endlagerbedingungen wurden die Zwischenschichtladung, Austauschkapazität und austauschbare Kationen bestimmt.
Die Untersuchungen haben bestätigt, dass beim Kontakt von Eisen mit Bentonit unter diesen Bedingungen hauptsächlich Magnetit und Wasserstoff gebildet werden. Montmorillonit nimmt weder in Kontakt mit Magnetit noch mit Eisen durch Kationenaustausch Eisen auf. Das dreiwertige Eisen ist im Zwischenschichtraum von Montmorillonit nicht stabil. Es wird vorwiegend durch Aluminium ausgetauscht. Dabei ist keine Änderung der Zwischenschichtladung festzustellen. Es ist deshalb anzunehmen, dass das Aluminium von den Kanten der Tonteilchen her in deren Zwischenschichtraum aufgenommen, dabei aber keine Chloritbildung beobachtet wurde.
Die Quelldrücke der hochverdichteten Bentonit-Eisen-Proben, bezogen auf die Trockendichte der Bentonite, entsprachen bei 80°C und 150°C etwa den Quelldrücken der unbehandelten Bentonite. Der Quelldruck der Fe(III)-Bentonite war vergleichsweise etwa 50 % höher. Es wird angenommen, dass hierfür vor allem die hohe Hydratationsenergie der Eisen- und Aluminium-Ionen massgebend war.