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Technischer Bericht NTB 91-13

Wechsellagerungen und Quellverhalten von Kalium-Bentoniten

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Zur Beurteilung der Langzeitstabilität von verdichteten Bentoniten unter Endlagerbedingungen für hochradioaktive Abfälle wurden natürliche Kalium-Bentonite mit aus geologischen Evidenzen abgeleiteter Druck-Temperatur­Einwirkung untersucht. Es wurden ordovizische Kalium­Bentonite aus Kinnekulle (Schweden) und spätkretazische aus Montana (USA) ausgewählt. Als Vergleich dazu wurden auch ein Illit aus Frankreich und ein Illit aus Ungarn untersucht. Durch sorgfältige Abtrennung der Kornfraktion < 0.2 μm der Kalium-Bentonite und der Analyse der so gewonnenen praktisch reinen Wechsellagerungsanteile ergaben sich 38 – 90 % Wechsellagerungen und 2.4 – 4.9 % K2O als fixiertes Kalium in den Tonmineralstrukturen. Aus der Kationen-Austauschkapazität und dem fixierten Zwischenschicht-Kalium wurden für die Wechsellagerungen der Kalium-Bentonite Zwischenschichtladungen von 0.38 bis 0.47 Ladungen pro Formeleinheit berechnet. Die berechnete Zwischenschichtladung der Kinnekulle-Probe B39 konnte nach vierzigmaliger Einlagerung von Alkylammoniumionen der Kettenlänge C6 – C14 experimentell bestätigt werden. Die Zwischenschichtladung der Kalium­Bentonite ist trotz des Wärmeeinflusses nach der Bildung der Bentonite nur wenig erhöht worden, sie ist noch smektitisch, und ein Teil des Quellvermögens blieb unter der Annahme von 100 % quellfähigem Ausgangsmaterial erhalten. Der gemessene Quelldruck der lufttrockenen, einaxial verdichteten Proben mit Trockendichten zwischen 1.5 Mg/m3 und 2 Mg/m3 schwankte im Bereich von 1 N/mm2 bis 15 N/mm2. Dies entsprach 10 – 70 % des Quelldrucks eines Calcium-Bentonites (Montigel) gleicher Trockendichte. Dabei zeigte es sich, dass die Kinnekulle­Proben erst nach Dispergierung mit Ultraschall die volle Quellfähigkeit erreichten. Der Einfluss der Beschallung war bei den Montana-Proben zum Teil viel schwächer. Die Ursachen der behinderten Quellung bei den Proben aus Kinnekulle werden diskutiert.

Der Illit MC aus Frankreich hatte sehr hohe Quelldrücke, die bei kleinen Trockendichten (1.4 – 1.7 Mg/m3) im Bereich der Quelldrücke des Calcium-Bentonits Montigel lagen. Im Gegensatz zu Illit MC wies der ungarische Illit S viel kleinere Quelldrücke auf. Die berechneten Quelldrücke aus den Wasserdampf-Adsorptions-Isothermen ergänzten die Quelldruck-Untersuchungen.

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