Modellering af evigheden i stenlaboratoriet

Når Barbara Lothenbach går videre med sine forskningsprojekter, hun ved, at hun ikke vil leve for at se det endelige resultat:Det, hun arbejder på, skal vare mellem 100, 000 og en million år. Forskeren fra Empas "Concrete &Asphalt" laboratorium undersøger cementbaserede materialer, som er egnet til bortskaffelse af radioaktivt affald.

I henhold til atomenergiloven dybe geologiske depoter i Schweiz skal modtage lav-, mellem- og højaktivt nukleart affald i fremtiden. Til dette formål, der skal være stabile bjerglag til at omslutte affaldsbeholderne. Da materialeforskere ved, imidlertid, at intet materiale er uforanderligt, der skal udvælges en klippeformation, der er geologisk så stabil og tæt som muligt - over tusinder af år. Den 180 millioner år gamle Opalinus Clay, som strækker sig i Schweiz mellem Olten og Schaffhausen i en dybde af 600 meter, for eksempel, har vist sig at være en passende værtsklippe. Da det har en lav vandledningsevne, det har fremragende isolerende egenskaber.

Stensolid forseglet i bjerget

Men hvordan reagerer Opalinus Clay's krystallinske strukturer og lermineraler med cementbaserede sikkerhedsbarrierer, når tidens gnavende tand fører til forandringer? National Cooperative for the Deponering of Radioactive Waste (Nagra) kræver data om dette spørgsmål, så et slutdepot for nukleart affald kan indlejres klippefast i Jorden med hensyn til miljøbeskyttelse og sikkerhed.

Barbara Lothenbach og hendes team udfører de nødvendige analyser ved at udføre eksperimenter under realistiske forhold på Mont Terri Rock Laboratory i St. Ursanne, som var konstrueret i et Opalinus-lerlag. Sammen med internationale partnere og forskningsgrupper fra Schweiz, såsom universitetet i Bern og Paul Scherrer Institute (PSI), reaktioner af cementbaserede materialer og det omgivende Opalinus-ler simuleres. Forskerne undersøger og modellerer den langsigtede udvikling af grænselagene mellem de meget forskellige materialesystemer i eksperimentelle tilgange, der varer flere år ved forskellige temperaturer mellem 20 og 70 grader Celsius.

Comeback af en etableret bekendt

Af særlig betydning her er cementens stærkt alkaliske pH, som i konventionel Portland cement kan være så høj som pH 13,5 eller endda højere. For at sikre at det alkaliske miljø ikke angriber lermineralerne i det omkringliggende område, en ny udvikling, den såkaldte "lavalkali" cement, syntes at være en god kandidat til holdbare, cementbaserede beskyttelsesbarrierer. Med en pH på 12,2 eller lavere, den har en alkalikoncentration, der er mere end ti gange lavere. Lothenbach og hendes team sammenlignede derfor cementtyper med forskellige pH-værdier ved hjælp af termodynamisk modellering og røntgendiffraktionsanalyse. Det er første gang langsigtede resultater er tilgængelige, som gør det muligt at karakterisere cementtyperne og deres udvikling i bjerget. Det viste sig, at lavalkali-cement faktisk er mere skånsomt for lermineralerne. Imidlertid, når konventionel Portland cement anvendes, kemiske forbindelser dannes over tid, der fører til tilsvarende gunstige forhold i sikkerhedsbarrieren. "Som resultat, den billigere og veletablerede Portland cement er igen blevet i fokus, siger Lothenbach.

Indviklet radioaktivitet

I øvrigt, hvis cementbaserede materialer skal forhindre radioaktive stoffer i at undslippe til miljøet, reaktionen mellem det nukleare affald og cementen må under ingen omstændigheder forringe lageranlæggets sikkerhedsbarrierer. Empa-forskere har således undersøgt radioaktive isotoper, der findes i det radioaktive affald, såsom grundstoffet selen, i adsorptionsundersøgelser. Resultaterne viser, at selenforbindelser optages af cementen i store mængder. "En beskyttende barriere af beton forsinker frigivelsen af ​​radioaktivitet i biosfære, da cementmineralerne binder de radioaktive stoffer og dermed stopper deres spredning, " slutter Lothenbach.

Imidlertid, ikke alle de processer, der finder sted i det komplekse samspil mellem de materialer, der kommer i kontakt med hinanden, kan evalueres så let, påpeger forskeren. Hun håbede, at udviklingen af ​​nye lavalkali-cementer ville give fordele for sikkerhedsbarrierernes holdbarhed. Imidlertid, forskerne opdagede ulemper ved andre egenskaber:Kombination af termodynamisk modellering og eksperimentelle data, Lothenbachs team kunne se, at sådanne typer cement binder stoffer som radioaktivt iodid dårligere.

Farlig korrosion

Et isoleringslag er ønskeligt, som er så vandtæt som muligt, men ikke gastæt. I et dybt geologisk depot, gasser kan produceres, for eksempel, ved korrosion af de lukkede stålbeholdere hvorved jernhydroxid dannes og brint frigives. Sådanne gasser, som produceres i små mængder over tid, skal kunne undslippe for at forhindre overtryk i at udvikle sig. For at spore langtidsreaktioner i korrosion af jern ved grænsen til cementmaterialet, forskerne udførte undersøgelser ved hjælp af kemiske analyser og spektroskopi. De første resultater viser, at Portland cement med sin høje pH er mere effektiv end lavalkali cement. Flere eksperimenter er nu planlagt for at kaste lys over disse stadig lidt kendte korrosionsprocesser.

Ud over, Lothenbachs team har karakteriseret faserne i interaktionszonen for cement og Opalinus Clay, der er resultatet af interaktionen af ​​lermineraler med cementens bestanddele, såsom en magnesiumsilikatfase. Det er endnu ikke endeligt afklaret, at sådanne mellemlag er dannet og kan bidrage til at forsegle det beskyttende lag. Lothenbach er overbevist om, at fund af denne art kan bidrage til udviklingen af ​​nye materialesystemer, som er interessante for hele byggebranchen. For på trods af Portland cementens gode materialeegenskaber, der er en stigende søgen efter alternativer, der er mere miljøvenlige og hjælper med at spare naturressourcer, som også kunne bruges til andre formål end i et dybt geologisk depot.