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Technical Report NTB 02-09

Assessment of Porewater Chemistry in the Betonite Backfill for the Swiss SF/HLW Repository

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Die Porenwasserchemie der Bentonitverfüllung beeinflusst die Mobilität von Radionukliden über Sorptions- und Löslichkeitsgleichgewichte nachhaltig. Das Ziel dieser Arbeit war die Herleitung eines Referenzporenwassers für das schweizerische Lager für hochaktive Abfälle und die Abschätzung von Unsicherheiten bezüglich dessen Zusammensetzung. Dabei galt ein spezielles Augenmerk den Säure-Base-Pufferungsmechanismen und den damit zusammenhängenden Variablen pH und pCO2.

Neuere Experimente, die bei hohen Feststoff-/Wasserverhältnissen durchgeführt wurden, werden mittels eines klassischen chemischen Gleichgewichtsmodells und zwei unterschiedlichen Datensätzen von Sorptionsreaktionen ausgewertet. Ein optimiertes thermodynamisches Modell wird hierauf für Lagerbedingungen mit Hilfe der geochemischen Codes MINSORB und PHREEQC angewendet. Zudem wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die kritischen geochemischen Parameter zu identifizieren und deren Auswirkung auf die Porenwasserchemie zu quantifizieren. Die zeitliche Entwicklung der Porenwasserzusammensetzung wird mit Hilfe von zwei Modellen, das eine basierend auf Wasseraustauschzyklen, das andere auf Diffusion, verfolgt. Für die Herleitung des Referenzporenwassers wird ein Redoxmodell, das auf dem Gleichgewicht zwischen Magnetit und gelöstem Fe2+ basiert, in das Ton-/Wasser-Reaktionsmodell integriert. Unsicherheiten bezüglich pH, Eh und den Hauptanionen (Cl-, SO42- und CO32-) werden evaluiert. Schliesslich werden vorhandene Daten von Spurenelementen präsentiert.

Zwei limitierende Bentonitporenwasserzusammensetzungen werden unter der Bedingung von fixiertem pCO2 = 10-3.5 bzw. 10-1.5 bar modelliert, um die Bandbreiten bezüglich pH und Eh zu definieren. Eine dritte intermediäre Zusammensetzung, die unter der Bedingung von pCO2 = 10-2.2 bar berechnet wurde, widerspiegelt die wahrscheinlichsten Lagerbedingungen und wird deshalb als Referenzwasser definiert. Alle resultierenden Wässer sind Na(-Ca-Mg)-Cl(-SO4) dominiert und haben eine Ionenstärke von ca. 0.3 M.

Die wichtigsten Ergebnisse dieser Modellierungsstudie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Die grosse Unsicherheit bezüglich des CO2-Partialdrucks im Wirtgestein hat signifi-kante Auswirkungen auf den pH des Bentonitporenwassers, was eine relativ grosse Bandbreite (6.9 bis 7.8) zur Folge hat.
  • Die Redoxbedingungen sind gemäss unseren Modellrechnungen für alle pCO2-Bedingungen reduzierend; die daraus abgeleiteten Oxidationspotentiale sind im Bereich von -280 und -130 mV.
  • Es wird erwartet, dass die Chemie des Bentonitporenwassers über lange Zeiträume stabil bleiben wird, was vor allem an seiner Ähnlichkeit mit dem umgebenden Porenwasser des Opalinustons liegt. 

In konventionellen thermodynamischen Modellen, wie in dieser Arbeit und anderen Sicherheitsanalysen angewendet, werden einige komplexe physikalisch-chemische Prozesse, die in hochkompaktierten quellenden Tonsystemen vorkommen (z. B. Osmose, Reduktion der externen Porosität), nicht berücksichtigt. Weitere experimentelle Untersuchungen und neue methodische Arbeiten müssen für das Verständnis über diese Prozesse und deren Integration in geochemische Modelle entwickelt werden. In einem ersten Schritt haben wir ein etwas verfeinertes Modell angewendet, um Anionenausschlusseffekte und Porositätsreduktion zu berücksichtigen. Gemäss den Ergebnissen verändert sich dadurch die Porenwasserzusammensetzung nicht signifikant. Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, dass die hergeleiteten Porenwasserzusammensetzungen realistisch sind und eine brauchbare Grundlage für die Sicherheitsanalyse darstellen.

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