Als Barbara Lothenbach doorgaat met haar onderzoeksprojecten, ze weet dat ze het eindresultaat niet zal meemaken:waar ze aan werkt, duurt tussen de 100, 000 en een miljoen jaar. De onderzoeker van Empa's "Concrete &Asphalt"-laboratorium onderzoekt op cement gebaseerde materialen, die geschikt zijn voor de berging van radioactief afval.

Volgens de Kernenergiewet is diepe geologische opslagplaatsen in Zwitserland krijgen lage, middelgroot en hoogactief kernafval in de toekomst. Voor dit doeleinde, stabiele rotslagen moeten beschikbaar zijn om de afvalcontainers te omsluiten. Omdat materiaalwetenschappers weten, echter, dat geen enkel materiaal onveranderlijk is, er moet een rotsformatie worden gekozen die geologisch zo stabiel en dicht mogelijk is - over duizenden jaren. De 180 miljoen jaar oude Opalinus Clay, die zich uitstrekt in Zwitserland tussen Olten en Schaffhausen op een diepte van 600 meter, bijvoorbeeld, heeft bewezen een geschikt gastgesteente te zijn. Omdat het een lage watergeleiding heeft, het heeft uitstekende isolerende eigenschappen.

Rotsvast verzegeld in de berg

Maar hoe reageren de kristalstructuren en kleimineralen van Opalinus Clay met op cement gebaseerde aanrijdbeveiligingen wanneer de knagende tand des tijds tot veranderingen leidt? De Nationale Coöperatie voor de Opruiming van Radioactief Afval (Nagra) heeft gegevens nodig over dit onderwerp, zodat een definitieve opslagplaats voor kernafval rotsvast in de aarde kan worden verankerd met het oog op milieubescherming en veiligheid.

Barbara Lothenbach en haar team voeren de vereiste analyses uit door experimenten uit te voeren onder realistische omstandigheden in het Mont Terri Rock Laboratory in St. Ursanne, die werd gebouwd in een Opalinus kleilaag. Samen met internationale partners en onderzoeksgroepen uit Zwitserland, zoals de Universiteit van Bern en het Paul Scherrer Instituut (PSI), reacties van op cement gebaseerde materialen en de omringende Opalinus Clay worden gesimuleerd. De onderzoekers onderzoeken en modelleren de langetermijnontwikkeling van de grenslagen tussen de zeer verschillende materiaalsystemen in experimentele benaderingen die meerdere jaren duren bij verschillende temperaturen tussen 20 en 70 graden Celsius.

Comeback van een gevestigde kennis

Van bijzonder belang hierbij is de sterk alkalische pH van cement, die in conventioneel Portlandcement tot pH 13,5 of zelfs hoger kan zijn. Om ervoor te zorgen dat de alkalische omgeving de kleimineralen in de omgeving niet aantast, een nieuwe ontwikkeling, het zogenaamde "alkalische" cement, leek een goede kandidaat voor duurzame, beschermende barrières op cementbasis. Met een pH van 12,2 of lager, het heeft een alkaliconcentratie die meer dan tien keer lager is. Lothenbach en haar team vergeleken daarom cementsoorten met verschillende pH-waarden met behulp van thermodynamische modellering en röntgendiffractie-analyse. Dit is de eerste keer dat er langetermijnresultaten beschikbaar zijn waarmee de cementsoorten en hun evolutie in de berg kunnen worden gekarakteriseerd. Het bleek dat alkaliarm cement inderdaad zachter is voor de kleimineralen. Echter, wanneer conventioneel Portlandcement wordt gebruikt, In de loop van de tijd worden chemische verbindingen gevormd die tot vergelijkbare gunstige omstandigheden in de veiligheidsbarrière leiden. "Als resultaat, het goedkopere en gevestigde Portland-cement staat opnieuw in de belangstelling, ', zegt Lottenbach.

Ingewikkelde radioactiviteit

Bovendien, als materialen op cementbasis moeten voorkomen dat radioactieve stoffen in het milieu terechtkomen, in geen geval mag de reactie tussen het kernafval en het cement de veiligheidsbarrières van de opslaginstallatie aantasten. Empa-onderzoekers hebben dus radioactieve isotopen onderzocht die aanwezig zijn in het radioactieve afval, zoals die van het element selenium, in adsorptiestudies. De resultaten laten zien dat seleniumverbindingen in grote hoeveelheden door het cement worden opgenomen. "Een beschermende barrière van beton vertraagt ​​het vrijkomen van radioactiviteit in de biosfeer, aangezien de cementmineralen de radioactieve stoffen binden en zo hun verspreiding stoppen, ’, besluit Lothenbach.

Echter, niet alle processen die plaatsvinden in het complexe samenspel van de materialen die met elkaar in contact komen, zijn zo gemakkelijk te evalueren, merkt de onderzoeker op. Ze hoopte dat de ontwikkeling van nieuwe laag-alkali-cementen voordelen zou bieden voor de duurzaamheid van de aanrijdbeveiligingen. Echter, de onderzoekers ontdekten nadelen in andere eigenschappen:het combineren van thermodynamische modellering en experimentele gegevens, Het team van Lothenbach kon zien dat dergelijke cementsoorten stoffen als radioactief jodide minder goed binden.

Gevaarlijke corrosie

Een isolatielaag is gewenst, die zo waterdicht mogelijk is maar niet gasdicht. In een diepe geologische opslagplaats, gassen kunnen worden geproduceerd, bijvoorbeeld, door corrosie van de gesloten stalen containers, waarbij ijzerhydroxide wordt gevormd en waterstof vrijkomt. dergelijke gassen, die in de loop van de tijd in kleine hoeveelheden worden geproduceerd, moeten kunnen ontsnappen om te voorkomen dat er overdruk ontstaat. Om langetermijnreacties in de corrosie van ijzer aan de grens met het cementmateriaal op te sporen, de onderzoekers deden onderzoek met behulp van chemische analyses en spectroscopie. De eerste resultaten tonen aan dat Portlandcement met zijn hoge pH effectiever is dan laag-alkalicement. Er zijn nu meer experimenten gepland om licht te werpen op deze nog weinig bekende corrosieprocessen.

In aanvulling, Het team van Lothenbach heeft de fasen in de interactiezone van cement en Opalinus Clay gekarakteriseerd die het gevolg zijn van de interactie van kleimineralen met de bestanddelen van het cement, zoals een magnesiumsilicaatfase. Het is nog niet definitief opgehelderd dat dergelijke tussenlagen worden gevormd en zouden kunnen bijdragen aan het afdichten van de beschermlaag. Lothenbach is ervan overtuigd dat dit soort bevindingen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materiaalsystemen die interessant zijn voor de hele bouwsector. Want ondanks de goede materiaaleigenschappen van Portlandcement, er wordt steeds meer gezocht naar alternatieven die milieuvriendelijker zijn en helpen om natuurlijke hulpbronnen te sparen, die ook voor andere toepassingen dan in een diepe geologische berging zou kunnen worden gebruikt.