Arbeitsbericht NAB 14-09

In diesem Bericht wird der Einfluss der Ionenstärke der Porenwässer in den vorgeschlagenen Wirtgesteinen auf die einzelnen Barrieren dargestellt. Dabei wurde der ganze Bereich möglicher Porenwasserzusammensetzungen der Wirtgesteine in Betracht gezogen.

Einfluss der Salinität auf die Sorption und auf die Diffusion im Wirtgestein und im Bentonit: Die Ionenstärke beeinflusst die Sorption von Kationen, die mit einem Kationenaustausch-Mechanismus sorbieren. Sorption und Diffusion müssen aber zusammen betrachtet werden, da für die diffusive Radionuklidausbreitung die scheinbare (apparente) Diffusion massgebend ist. Der entsprechende Diffusionskoeffizient D_a hängt vom Verhältnis zwischen effektivem Diffusionskoeffizienten D_e und Sorptionswert K_d ab. Die Abhängigkeiten von D_e und K_d von der Ionenstärke sind stark korreliert, sodass D_a und somit die Radionuklidausbreitung nur sehr schwach von der Ionenstärke abhängen. Trotzdem berücksichtigen die erarbeiteten Sorptionsdatensätze mögliche Sorptionsänderungen infolge einer erhöhten Ionenstärke in konservativer Weise. Diffusion und Sorption von Radionukliden, welche mit einem Oberflächenkomplexierungsmechanismus sorbieren, werden von der Ionenstärke nicht beeinflusst. Wegen der Zunahme der anionenzugänglichen Porosität mit steigender Ionenstärke nimmt die Diffusion der Anionen zu. Dies wird in der Sicherheitsanalyse mit der Wahl der entsprechenden Eckwerte berücksichtigt. Komplexbildung der Radionuklide mit Cl^- oder SO₄^2- kann sowohl in den Wirtgesteinen als auch im Bentonit zu einer Verminderung der Sorption führen, ebenso zu einer Erhöhung der Löslichkeit im Porenwasser des Bentonits. Dies wird in den entsprechenden Datenbanken berücksichtigt.

Im Nahfeld der BE/HAA-Lagerkammern könnte die Kombination einer sehr hohen Ionenstärke (> 3 M) und einer sehr tiefen Einbringdichte (< 1000 kg/m³) eine Abnahme der Quellfähigkeit des Bentonits und eine damit verbundene Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit bewirken. Allerdings werden in einem geologischen Tiefenlager keine solchen Bedingungen vorherrschen. Innerhalb des möglichen Bereichs der Ionenstärken der Porenwässer und bei der vorgesehenen Einbringdichte des Bentonits kann eine signifikante Beeinflussung sowohl der Quellfähigkeit als auch der hydraulischen Durchlässigkeit ausgeschlossen werden.

Innerhalb des möglichen Bereichs der Chlorid Konzentrationen wird die Stahlkorrosion weder im Nahfeld der BE/HAA-Lagerkammern noch im Nahfeld des SMA-Lagers beeinflusst. Dies gilt auch für Kupfer und Zircaloy. Die Korrosion von Aluminium bei hohem pH-Wert (SMA und LMA) kann aber bei höheren Chlorid Konzentrationen schneller sein, was bei der Abschätzung der Gasbildung berücksichtigt wird.

Mehrere in der Literatur beschriebene Brennstoffauflösungsexperimente zeigen, dass Chlorid keinen Einfluss auf die Auflösung des Brennstoffs hat. Auch auf die Auflösung von Glas konnte keine sicherheitsrelevante Wirkung der Ionenstärke nachgewiesen werden. 

Porenwässer mit erhöhten Na⁺, Mg²⁺, SO₄^2- und Cl^- Konzentrationen können im Nahfeld SMA und LMA die Zusammensetzung der Zementminerale beeinflussen. Bei anhaltendem Poren-wasseraustausch mit dem umgebenden Wirtgestein, also über lange Zeiträume von tausenden von Jahren, können durch Mg²⁺ geringe Mengen der C-S-H Phasen in M-S-H Phasen umge-wandelt werden. Sulfat kann auf Kosten anderer Al-haltigen Phasen (AFm) zur Bildung von zusätzlichem Ettringit führen. AFm Phasen können Anionen binden und spielen somit eine wichtige Rolle bei der Rückhaltung von sicherheitsrelevanten Anionen. Eine Chlorid-Bindung an AFm Phasen führt zur Bildung von Friedel’s Salz. Bei den erwarteten Konzentrations-bereichen könnte Na⁺ in geringem Umfang gegen das Ca²⁺ in C-S-H Phasen ausgetauscht werden, was deren Rückhaltungskapazität gegenüber Metallkationen nicht wesentlich verändern würde.

Unter den alkalischen Bedingungen eines Zementporenwassers spielen Chlorokomplexe mit sicherheitsrelevanten Radionukliden kaum eine Rolle, da Hydroxokomplexe fast immer stabiler sind. Der Einfluss der Ionenstärke wird in der Sorptionsdatenbank für Radionuklide berücksich-tigt. Dies betrifft insbesondere die Kationen Cs⁺, Sr²⁺ und Ra²⁺, welche bei erhöhter Ionenstärke wegen der Konkurrenz zu den Kationen im Porenwasser schlechter sorbieren, aber auch die Radionuklide in Anionenform, bei welchen die oben erwähnten möglichen Änderungen der Mineralzusammensetzung berücksichtigt werden.