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Technisches Forum SicherheitBeantwortung der Frage 91

swisstopo,David JaeggiPaul Bossart

TFS, 19. November 2013

Frage 91

Verhalten von Versiegelungsmaterial Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch. • a) Unter den zu erwartenden veränderten Bedingungen wie z.B. Wärme, Poren- oder

Wasserdruck? • b) Über lange Zeiträume von 1 Million Jahre? • c) Bleibt die Versiegelung dicht, oder bilden sich neue Wasserfliesswege • d) Beim Kontakt mit Fliesswasser? • e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und

Sulfatgehalt?

HE-B

HE-E

FE

1.Heiz-

experiment

“Bentonit-

Donuts”

4. Heiz-

experiment

Bentonit &

Sand-Bentonit

1:2 Experiment

Mit Bentonit

HAA Konzept

1:1 Experiment.

Experimente mit Bentonit im Felslabor Mont Terri

SB

Bentonit &

Sand-Bentonit

Versiegelung

Bohrung

IC-A

Korrosions-

experiment

Stahl+Bentonit

1998-2003 2001-2014 2002-2030 2005-2012 2011-2016 2012-2016 2011-??

Zunehmende Komplexizität

EBCI

Granular

Backfill

Hoch-pH

Zement-

wasser;

Bentonit

HE-B (Heater) Experiment

Ziele des Experiments:

• Einfluss der Temperatur und Sättigung auf

THM-Prozess (THM=Thermisch-Hydraulisch-

Mechanisch-gekoppelt)

• Interaktion Buffer (komprimierter Bentonit) –

Host rock (Opalinuston)

Konzept des Experiments:

• Zentrales Bohrloch 7.5 m lang, ø 300 mm mit

Heizung 100 und Bentonit-Donuts

• 19 Beobachtungsbohrungen drum herum

• Künstliche Sättigung des Bentonits

• Beobachtungsbohrungen und Heizbohrung

instrumentiert mit pp, T, Deformationen

• Heizperiode 18 Monate, danach Dismantling

Partner: BGR, ENRESA, GRS

• Maximale T im Buffer 100 ergaben T für OPA von

nur 40 , keine Veränderung im Gestein erkennbar

• Durch die Heizung wurde der Bentonit ausgetrocknet

und die thermische Leitfähigkeit verringerte sich

• Das Bentonitvolumen erhöhte sich um 5-

9%, Potential also noch nicht ausgeschöpft

• Physico-chemische Veränderungen durch Hitze und

Sättigung waren gering

• Keine mineralogischen Veränderungen des

Bentonits

• Aufsättigung: Quelldruck von 2.8 MPa wurde

innerhalb von 6 Tagen erreicht

• Gravimetrischer Wassergehalt bis zu 10% verringert

im Bereich der Heizung

HE-B (Heater) Experiment

150

250

350

450

550

650

750

22 27 32 37 42

water content / %

dep

th /

cm

innner a

middle b

outer chea

ter


• Einfluss von Zement/Beton auf OPA und auf

Bentonit

• Untersuchung der Prozesse/Reaktionen an

der Grenze Zement (Beton) – Opalinuston /

Bentonit.


• 2 Bohrungen wurden mit den verschiedenen

Zementarten gefüllt

• System wurde künstlich aufgesättigt

• In logarythmischer Zeitskala werden Proben

der Grenzbereiche entnommen

• Experiment dauert 20 Jahre

CI (Cement Clay interaction) Experiment

Partner: ANDRA, CRIEPI, IRSN, NAGRA, OBAYASHI,

SCK.CEN; Major contractor: RWI, Uni Bern


LAC

MX-80

OPC

395 mm

Bentonit

Beton

CI Experiment by Urs Mäder und Florian Dolder, Universität Bern.

• Low pH-Zement ist genau so reaktiv

wie OPC (ordinary portland cement)

• Gut aufgelöste chemische

Zonierung im Beton gegen den

Bentonit hin

• Keine sichtbare Alterierung des

Bentonits gegen den OPA hin

• Beton ist die reaktive Komponente –

wirkt als Senke für

Massentransfer, kaum

Veränderungen im Bentonit

• Bentonit ist sehr homogen

aufgequollen

• Herabsetzung hydraulische

Durchlässigkeit in Kontaktzone


OPA

Bentonit

Keine Sichtbare Reaktionszone!

Bentonit

OPC

Auffälliger weisser Saum entlang Bentonit!


• Charakterisierung der frühen nicht isothermalen

Aufsättigungsperiode und deren Einfluss auf das THM-

Verhalten

• Experimentelle Daten für die Validation und Kalibrierung von

numerischen Modellen.

• Upscaling der thermischen Leitfähigkeit von Labordaten auf

1:1-Skala für Bentonit und S/B-Gemische


• 1:2 Massstab Mikrotunnel

• zwei Kompartimenten S/B und Pellets

• Natürliche Sättigung

• Heizertemperatur 140 von Juni 2011 - ??

• Instrumentierung Heizer, technische und natürliche Barriere

mit P, T, RH, Verschiebung, Seismik, Geoelektrik

HE-E (Heater) Experiment

BGR, ENRESA, GRS, NAGRA

EC-co-funded

HE-E (Heater) Experiment

Zwischenresultate nach 15 Monaten Laufzeit:

• Höhere thermische Leitfähigkeit der Bentonit

Pellets, als S/B

• Hochverdichtete Blöcke wirken als thermische

Brücke

• Feuchtigkeiten im Bentonitpellet-Abschnitt steigt

geringfügig an, bedingt durch höhere Saugspannung

• 100% RH an S/B-OPA Grenze sehr schnell erreicht

• Porenwasserdrucke im Gebirge ändern in einem

Radius von 10 m um den Mikrotunnel


• Untersuchung der THM Effekte, welche durch den

Einlagerungsvorgang entstehen

• Demonstration der Einbringung (Machbarkeit)

• Langzeitexperiment 10-15 Jahre unter in-situ Bedingungen


• 50 m langer Stollen, 3 m Durchmesser

• Instrumentierung Tunnel und Nahfeld

• Einbau von 3 x 1500 W

Kanisterdummies, verfüllen, verschliessen, Langzeitmonito

ring

FE (Full-Scale Emplacement) Experiment

ANDRA, BGR, DOE, GRS, NAGRA, NWMO

EC-co-funded

Frage 91a

Zusammenfassung:Die Mont Terri Experimente bestätigen folgende vorteilhafte Eigenschaften von Bentonit:

• Gute Quelleigenschaften (Volumenausdehnung, Quelldrucke). Steuerbar über die Trockendichte

• Gute Gasdurchlässigkeit im ungesättigten und teilweise gesättigten Zustand. Mit Sand-Bentonitmischungen steuerbar

• Sehr geringe hydraulische Durchlässigkeit im gesättigten Zustand

• Hohe Plastizität im gesättigten Zustand. Sehr gute Abdichtungseigenschaften

• Retardation von Radionukliden: hervorragende Sorptionseigenschaften, inklusive Kolloidfiltration

• Diffusiver Stofftransport durch Bentonit Backfill

• Zeitliche Stabilität

ABER:

Bentonit kann seine vorteilhaften Eigenschaften ändern, z.B. bei hohen pH-Werten (Reaktion von Bentonit-Porenwasser mit Beton), aber auch beim Kontakt mit hochsalinenWässern und bei zu hohen Temperaturen. Dies vermindert die Barriereneigenschaften:

• Reduzierte Quellkapazität

• Reduzierte Sorption von Radionukliden

Frage 91 b

- Modellierung: von der Gegenwart in die Zukunft (Prognosen)

- Natürliche Analoga: von der Gegenwart in die Vergangenheit



Sulfatgehalt?

Pecos River, Texas

Bentonit

Reaktion im Beton

Transport von

OH-, Ca++, etc. in

den Bentonit

Erhöhung

des pH im

Bentonit

Montmorillionit

geht in Lösungwird gefördert

wird verhindertFällung neuer

Mineralphasen

ZementationRissbildung

Quelle: McKinley et al. 2007, vereinfacht

Relevante Prozesse:

System Bentonit-Beton-Porenwasser

Modellierung

Gaucher et al., 2004

Savage et al., 2007

Was Modellierungen voraussagen:- Ausfällen neuer Mineralien im Bentonit inkl.

Dichtmachen der Porosität (1)

- Auflösen von z.B. Tonmineralien im Bentonit (2)

Problematik:- Wie gut bekannt sind die Kennwerte?

z.B. Kinetik, sekundäre Mineralogie, Mineraleigenschaften

- Mechanische Veränderungen sind in heutigen Modellen nicht enthalten (gekoppelte Prozesse)

z.B. Quelldruckveränderung (Volumen)

→ Wie gut stellen Modelle die Realität dar?(Ein Modell ist nicht die Realität)

Darum: man braucht mehr experimentelle Daten um Modelle zu verbessern und realistischer zu machen.

1

1

2

Natürliche Analoga von Bentonit

Tsukuda et al., 2007

Mangatarem district, Philippines

Fazit:- Die hoch-pH Lösungen aus dem Serpentin (->Spritzbeton) wandelten die

Montmorillionite im Bentonit in neue Minerale um. Die Sorptionskapazität des Bentonites ist hier klar vermindert.

- Dieser Reaktionssaum ist aber begrenzt und nur einige Milimeter dick- Risse im Serpentin (->Spritzbeton) wurden mit den neu ausgefällten

Mineralien abgedichtet- Dieser Aufschluss ist ein Analogon für die Situation eines geologischen

Tiefenlagers nach einigen hundert bis Tausend Jahre.

Natürliche Analoga von Bentonit

Tsukuda et al., 2007

Mangatarem district, Philippines

Frage 91 c, d



Sulfatgehalt?


• Demonstration des Konzeptes für HLW

• Demonstration des Verhaltens vom System

Bentonitblöcke, Kanister, Bentonitpellets


• Dummy Kanister in 6 m langem Stollen 1:1

• 2 m dicker Betonpfropfen als Abschluss

• Künstliche Aufsättigung des Bentonits

• Langzeitmessung P/T/Verformung 2002 –

2012

• 2013 Dismantling und Analyse Bentonit

EB (Engineered Barriers) Experiment

ENRESA, ANDRA, BGR, NAGRA; key contractor: AITEMIN. EC-co-funded


• Hydratation des Bentonits von 2002 – 2007, total 15’165 Liter

• Totale Drucke variieren zwischen 14 und 22 bar

• Porenwasserdrucke im Fels erreichen bis 14 bar

• Der Dummybehälter wurde um 10 mm angehoben und seitlich um 6 mm

verschoben

• Erhöhte Trockendichten über dem Behälter, reduzierte Wassergehalte

über dem Behälter

• Dismantling brachte sehr felsähnlichen verquollenen Bentonit zutage

• Material makroskopisch homogenisiert, ursprüngliche Struktur der Pellets

nicht mehr erkennbar

• Material im feuchten Zustand plastisch, bei Austrocknung Erhöhung

Festigkeit.

• Canister emplacement

• Bentonite backfilling

• Artificial hydration


EB Experiment, Rückbau (AITEMIN)

(Oktober 2012 – Februar 2013)

Main activities/OutcomeEB Experiment

Resultate Rückbau

Trockendichte (A1-25) Wassergehalt (A1-25)

Totaler Druck (Abschnitt E)

A1-25 E

EB Experiment, Resultate Backfill

Frage 91 c, d

Beobachtungen aus dem EB Experiment:

- Künstliche advektive Wasserfliesswege zu Beginn der Austättigung des Bentonites im

EB-Experiment: ca. 10’000 Liter künstliches Porenwasser innerhalb weniger Wochen

ins Testintervall injiziert, deutliche Exfiltration durch EDZ, Salzausfällungen

ausserhalb Testzone). Temporärer Stop. Wiederaufnahme der künstlichen

Aufsättigung, aber mit deutlich geringeren Fliessraten über mehrere Jahre

- In-situ Feuchtemessungen im Bentonit zeigen nach rund 6 Jahren 100% relative

Feuchte, womit die Aufsättigung abgeschlossen ist

- Totaler Druck und Schwelldruck steuerbar über die Trockendichte

- Rückbau des EB Stollens zeigen einen dichten, homogenen Bentonit

(makroskopisch). Analysen (mikroskopisch) belegen unterschiedliche Trockendichten

und Wassergehalte an der Sohle und Firste.

Fazit:

- Natürliche Aufsättigung: diffusiver Wassertransport (im Gegensatz zu advektivem

Transport bei der künstlichen Aufsättigung). Bei der natürlichen Aufsättigung besteht

kein Kontakt mit «fliessendem Wasser»

- Falls Trockendichte im Bentonit-Backfill homogen verteilt ist und die diffusive

Aufsättigung vom Opalinuston in den Backfill stattfindet, ist die Wahrscheinlichkeit

einer Bildung von advektiven Wasserfliesswegen sehr gering.

Frage 91 e

Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch.

e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und Sulfatgehalt?

• Kontakt von Bentonit mit niedrig- bis mittel-salinen Wässern (10-40 g/L):- Quell- und Sorptionseigenschaften nicht beeinträchtigt.

- Grund 1: hohe Kationenaustauschkapazität

- Grund 2: liegt in der Pufferung der Porenwasserchemie durch gelöste Salze Ca++,CO3-- ;

Ca++,SO4--

- Anionen: Wie verhält sich das Cl-?: Diffundiert durch Bentonit ohne Sorption. Effekt des

Anionenausschlusses

- In-situ Bestätigung (WS-A, B, C…. I Experimente). Die höchsten Salinitäten betragen rund

20 g/L.

• Kontakt von Bentonit mit hoch-salinen Wässern (> 100 g/L):- Quell- und Sorptionseigenschaften beeinträchtigt

- Grund: elektrische Doppelschicht wird bei hoher Ionenkonzentration zusammengedrückt.

Schlussfolgerung:

• Barriere: Bentonit ist eine hochwirksame Barriere in geologischen

Tiefenlagern zur Rückhaltung von Radionukliden. Vorteile:

Quellkapazität, Sorptionseigenschaften, diffusiver Stofftransport in

gesättigtem Zustand

• Performance Tiefenlager: Kann je nach Anforderungen optimiert &

angepasst werden (z.B. Quelldrucke durch Einstellung der

Trockendichte, Bentonit-Sandgemische bei stark gasproduzierenden

Abfällen)

• Stabilität über lange Zeiträume: Voraussetzung: einwandfreie

Verfüllung der Einlagerungstollen (z.B. homogene

Trockendichte), kontinuierliche und gleichmässige Aufsättigung

(diffusiver Feuchtetransport), Ausgleich der hydraulischen Gradienten

nach Aufsättigung.

• Spezielles Augenmerk zu richten auf: Bentonit im Kontakt mit Hoch-pH

Wässer (Minimierung von Beton), wärmemeproduzierende Abfälle

(Minimierung Temperaturmaxima).

Referenzen

• McKinley, I.G., Alexander, W.R., Arcilla, C.A., Kawamura, H. and Takahashi, Y.

(2007): IPHAP: a new analogue of bentonite alteration by cement leachates.

• Courdouan, A., Christl, I., Meylan, S., Wersin, P., Kretzschmar, R., 2007:

Characterization of dissolved organic matter in anoxic rock extracts and in situ pore

water of the Opalinus Clay. Appl. Geochem. 22, 2926–2939.

• Tsukuda, Y., Fujita, K., Nakabayashi, R., Sato, T., Yoneda, T., Yamakawa, M., Fujii, N.

, Namiki, K., Kasama, T., Alexander, R., Areilla, C. and Pascua, C. (2009): Natural

analogue study for interaction between alkaline groundwater and bentonite at

Mangatarem region in the Philippines.

• Wersin, P., Leupin, O.X., Mettler, S., Gaucher, E., Mäder, U., De

Cannière, P., Vinsot, A., Gabler, H.E., Kunimaro, T., Kiho, K., Eichinger, L., 2011.

Biogeochemical processes in a clay formation in situ experiment: part A –

overview, experimental design and water data of an experiment in the Opalinus Clay

at the Mont Terri Underground Research Laboratory, Switzerland. Appl. Geochem.

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