När Barbara Lothenbach går vidare med sina forskningsprojekt, hon vet att hon inte kommer att leva för att se det slutliga resultatet:Det hon jobbar med ska hålla mellan 100, 000 och en miljon år. Forskaren från Empas laboratorium "Betong &Asfalt" undersöker cementbaserade material, som är lämpliga för bortskaffande av radioaktivt avfall.

Enligt kärnkraftslagen, djupa geologiska förvar i Schweiz ska ta emot låg-, kärnavfall på medellång och hög nivå i framtiden. För det här syftet, stabila berglager måste finnas tillgängliga för att omsluta avfallsbehållarna. Eftersom materialforskare vet, dock, att inget material är oföränderligt, en bergformation måste väljas ut som är geologiskt så stabil och tät som möjligt - under tusentals år. Den 180 miljoner år gamla Opalinus Clay, som sträcker sig i Schweiz mellan Olten och Schaffhausen på 600 meters djup, till exempel, har visat sig vara en lämplig värdrock. Eftersom den har låg vattenledningsförmåga, den har utmärkta isolerande egenskaper.

Stensäkert förseglat i berget

Men hur reagerar de kristallina strukturerna och lermineralerna i Opalinus Clay med cementbaserade säkerhetsbarriärer när tidens gnagande härjningar leder till förändringar? Det nationella kooperativet för avfallshantering av radioaktivt avfall (Nagra) kräver data om denna fråga så att ett slutförvar för kärnavfall kan bäddas in stenhårt i jorden med avseende på miljöskydd och säkerhet.

Barbara Lothenbach och hennes team utför de erforderliga analyserna genom att genomföra experiment under realistiska förhållanden vid Mont Terri Rock Laboratory i St. Ursanne, som konstruerades i ett Opalinus Clay -lager. Tillsammans med internationella partners och forskargrupper från Schweiz, till exempel University of Bern och Paul Scherrer Institute (PSI), reaktioner av cementbaserade material och den omgivande Opalinus-leran simuleras. Forskarna undersöker och modellerar den långsiktiga utvecklingen av gränslagren mellan de mycket olika materialsystemen i experimentella tillvägagångssätt som varar flera år vid olika temperaturer mellan 20 och 70 grader Celsius.

Comeback av en etablerad bekant

Av särskild betydelse här är cementens starkt alkaliska pH, som i konventionellt Portland cement kan vara så högt som pH 13,5 eller ännu högre. För att säkerställa att den alkaliska miljön inte angriper lermineralerna i det omgivande området, en ny utveckling, det så kallade "lågalkaliska" cementet, verkade vara en bra kandidat för hållbarhet, cementbaserade skyddsbarriärer. Med ett pH på 12,2 eller lägre, den har en alkalikoncentration som är mer än tio gånger lägre. Lothenbach och hennes team jämförde därför cementtyper med olika pH-värden med hjälp av termodynamisk modellering och röntgendiffraktionsanalys. Detta är första gången långsiktiga resultat finns tillgängliga som gör det möjligt att karakterisera cementtyperna och deras utveckling i berget. Det visade sig att lågalkali-cement verkligen är mer skonsamt mot lermineralerna. Dock, när konventionellt Portlandcement används, kemiska föreningar bildas över tid som leder till liknande gynnsamma förhållanden i säkerhetsbarriären. "Som ett resultat, det billigare och väletablerade Portland-cementet har återigen blivit i fokus, säger Lothenbach.

Invecklad radioaktivitet

Dessutom, om cementbaserade material ska förhindra att radioaktiva ämnen flyr ut i miljön, Reaktionen mellan kärnavfallet och cementet får under inga omständigheter försämra lagringsanläggningens säkerhetsbarriärer. Empa -forskare har således undersökt radioaktiva isotoper som finns i det radioaktiva avfallet, såsom elementen selen, i adsorptionsstudier. Resultaten visar att selenföreningar absorberas av cementen i stora mängder. "En skyddande barriär av betong fördröjer utsläpp av radioaktivitet i biosfären, eftersom cementmineralerna binder de radioaktiva ämnena och därmed stoppar deras spridning, "avslutar Lothenbach.

Dock, inte alla processer som sker i det komplexa samspelet mellan de material som kommer i kontakt med varandra kan utvärderas så enkelt, påpekar forskaren. Hon hoppades att utvecklingen av nya lågalkali-cement skulle ge fördelar för hållbarheten hos säkerhetsbarriärerna. Dock, forskarna upptäckte nackdelar med andra egenskaper:Kombinera termodynamisk modellering och experimentella data, Lothenbachs team kunde se att sådana typer av cement binder ämnen som radioaktiv jodid mindre bra.

Farlig korrosion

Ett isoleringsskikt är önskvärt, som är så vattentät som möjligt men inte gastät. I ett djupt geologiskt förvar, gaser kan produceras, till exempel, genom korrosion av de medföljande stålbehållarna, varigenom järnhydroxid bildas och väte frigörs. Sådana gaser, som produceras i små mängder över tiden, måste kunna fly för att förhindra att övertryck utvecklas. För att spåra långsiktiga reaktioner vid korrosion av järn vid gränsen till cementmaterialet, forskarna genomförde undersökningar med hjälp av kemiska analyser och spektroskopi. De första resultaten visar att Portlandcement med sitt höga pH är mer effektivt än lågalkalicement. Fler experiment planeras nu för att belysa dessa fortfarande lite kända korrosionsprocesser.

Dessutom, Lothenbachs team har kännetecknat faserna i cementens och Opalinus lerans interaktionszon som är resultatet av växelverkan mellan lermineraler och cementens beståndsdelar, såsom en magnesiumsilikatfas. Det har ännu inte slutgiltigt klargjorts att sådana mellanlager bildas och kan bidra till att täta skyddsskiktet. Lothenbach är övertygad om att fynd av detta slag kan bidra till utvecklingen av nya materialsystem som är av intresse för hela byggindustrin. För trots de goda materialegenskaperna hos Portlandcement, det finns en ökande sökning efter alternativ som är mer miljövänliga och hjälper till att spara naturresurser, som också kan användas för andra applikationer än i ett djupt geologiskt förvar.