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Technischer Bericht NTB 85-22
Überlegungen zur Thermodynamik und Kinetik der Reaktion zwischen Eisen und Wasser in Bentonit
Es werden thermodynamische Beziehungen für das Gleichgewichtspotential einer mit Eisen gesättigten Magnetitelektrode, für den Gleichgewichtspartialdruck des Wasserstoffs und das Löslichkeitsprodukt des Magnetits in Abhängigkeit von Temperatur und Systemdruck sowie die aus Standardenthalpien, spezifischen Wärmekapazitäten und Molvolumina berechneten Werte dieser thermodynamischen Grössen angegeben. Bei Temperaturen zwischen 300 K und 600 K und Systemdrucken bis zu 400 bar liegt der wahrscheinlichste Gleichgewichtsdruck des Wasserstoffs nahe bei 1 kbar, die Aktivität des zweiwertigen Eisens im Gleichgewicht mit Magnetit in reinem Wasser bei einigen µM. Der pH-Wert, der der Gleichgewichtslöslichkeit in reinem Wasser entspricht, liegt nahe dem des Wassers in Bentonit. Wegen der Ungenauigkeiten der thermodynamischen Ausgangsdaten sind die Berechnungen nur der Grössenordnung nach sicher.
Der zeitliche Verlauf der Korrosion von Eisen in Bentonit wird abgeschätzt. Die Korrosionsgeschwindigkeit ist im Wesentlichen durch das parabolische Wachstum einer Oxidschicht bestimmt. Während einer Zeit von bis zu wenigen Jahren sollte selbst bei 150 °C die Korrosionsgeschwindigkeit auf 0,1 µm a-1 sinken. Nimmt man diese Geschwindigkeit als stationär an, so kann der Gleichgewichtspartialdruck des Wasserstoffs an der Oxidoberfläche rund 60 bar nicht überschreiten. Für die Diffusionsgeometrien wurden in den Berechnungen Planungsdaten der Nagra angenommen.
Auch unter instationären Bedingungen ist trotz höherer Korrosionsgeschwindigkeiten mit Gleichgewichtspartialdrucken von nur wenigen bar an der Behälteroberfläche zu rechnen. Bei hydrostatischen Drucken über 100 bar können also aus kinetischen Gründen keine Wasserstoffblasen ausgeschieden werden.