Technical Report NTB 14-11

In einem Tiefenlager für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) und in den Lagerkavernen für langlebige mittelaktive Abfälle (LMA) werden grosse Mengen an zementhaltigen Materialien (Mörtel, Beton) für die Konditionierung der Abfälle, für den Ausbau der Einlagerungskavernen (Spritzbetonschale) und für die Verfüllung von Hohlräumen verwendet. Das Abfallinventar in einem solchen "Zementlager" ist durch eine grosse Vielfalt an organischen und anorganischen Materialien charakterisiert. Die vorliegende Studie beschreibt die räumliche und zeitliche geochemische Entwicklung des Zement-Nahfelds und seine Wechselwirkungen mit technischen Barrieren und dem angrenzenden Wirtgestein.

Das räumliche und zeitliche Auftreten der Evolutionsstadien im Zement-Nahfeld wird durch zahlreiche miteinander gekoppelte innere und äussere Einflüsse gesteuert. Von zentraler Bedeutung für viele Prozesse ist die Entwicklung der Wassersättigung. Eine teilweise oder vollständige Entsättigung der Lagerkavernen, der angrenzenden Wirtgesteinsbereiche oder der Barrierensysteme in den Zugangsstollen verlangsamt oder verhindert den Transport gelöster Stoffe in der Wasserphase und limitiert so chemische Reaktionen. Die Wassersättigung wird vom Zustrom von Porenwasser aus dem Wirtgestein, dem Transport von z. T. in Wasser gelösten Gasen aus dem Nahfeld ins Wirtgestein und innerhalb des Engineered Gas Transport System, sowie dem Feuchtigkeitstransport in der Gasphase reguliert. Die Produktion von Gas durch bakteriellen Abbau von organischen Abfällen und der anoxischen Korrosion von Metallen setzt nicht nur Gas frei, sondern verbraucht auch Wasser. Weiterhin können die zur Degradierung zementhaltiger Materialien führenden Mineralreaktionen Wasser verbrauchen oder auch freisetzen. Solche Reaktionen benötigen aber (wie auch die bio-chemische Gasproduktion) in jedem Fall ein Mindestmass an Gasfeuchte um einen Wasserfilm an Mineraloberflächen ausbilden zu können, in welchem gelöste Stoffe miteinander reagieren können.

Im Vergleich zu früheren Betrachtungen ändert sich die generelle Beschreibung der Zementdegradation in dieser Studie nicht. Es wird erwartet, dass das Zement-Nahfeld verschiedene geochemische Stadien durchläuft.

Das erste Stadium ist mit der Hydratisierung der Zementmaterialien verbunden. Das Porenwasser ist durch hohe pH-Werte (13 oder höher) und erhöhte Werte von gelösten Alkalihydroxiden charakterisiert. Dieses Stadium wird insbesondere in Situationen mit advektivem Transport nicht sehr lange andauern.

Im zweiten Stadium wird der pH-Wert des Porenwassers durch das Gleichgewicht mit Calciumhydroxid (Portlandit) auf einem Wert von etwa 12.5 gepuffert. Die Konzentrationen der gelösten Alkalihydroxide sind durch Transportprozesse und/oder Mineralreaktionen abgesenkt. Dieses Stadium wird insbesondere in Situationen mit einer verringerten Porosität an der Zement-Tongrenzfläche und/oder in Situationen mit diffusivem Transport sehr lange dauern.

Im dritten Stadium ist der Portlandit durch Reaktionen mit Silikaten/Aluminaten und Karbonaten des Wirtgesteins oder reaktiver Abfälle verbraucht. Der pH-Wert des Porenwassers wird durch das Gleichgewicht mit Calcium-Silikat-Hydraten (C-S-H) auf Werte nahe 11 oder sogar darunter gehalten, wobei sich die Zusammensetzung der C-S-H-Phasen in Richtung eines geringeren Ca/Si Verhältnisses verschiebt (Abreicherung von Ca(OH)2 aus den C-S-H-Phasen bis Ca/Si < 0.84).

In einem sehr späten Stadium werden durch die Bildung von Karbonaten, Tonmineralen oder Zeolithen langfristig nahezu neutrale pH-Werte erreicht.
 

Die geochemische Entwicklung des Zementnahfelds wird durch verschiedene Prozesse beeinflusst. Als wichtig erachtet werden die Wechselwirkungen mit dem Wirtgestein, die Wechselwirkungen mit den eingelagerten Abfällen, die Degradierung von Zementmaterialien durch Alkali-Kieselsäure-Reaktionen und die Karbonatisierung.

Der diffusive und advektive Austausch von Porenwässern zwischen Zementmaterialien und dem Wirtgestein führt zu Mineralreaktionen und Änderungen des pH-Werts im Porenwasser. Diese Reaktionen wurden mit Hilfe von numerischen Modellen untersucht. Ausgehend von den Materialgrenzflächen werden in den Wirtgesteinen Tonminerale bis zu einigen dm in 100'000 Jahren (Betrachtungszeitraum der Sicherheitsanalyse für ein SMA-Lagers), bei grossen Wasserflüssen im Wirtgestein vielleicht auch bis zu 1 m aufgelöst und in andere Minerale (z. B. Zeolithe) umgewandelt. Die Sorptionskapazität des Wirtgesteins in dem der Wasserfluss langsam ist und die Diffusion den Transport dominiert, wird durch die Mineralumwandlungen nicht beeinflusst. Der Einfluss auf die Sorptionskapazität der geklüfteten Wirtgesteine, wird in den provisorischen Sicherheitsanalysen für SGT E2 berücksichtigt.

Daran anschliessend wird sich eine Zone mit einem leicht erhöhten pH-Wert im Porenwasser von 8 – 9 entwickeln, welche noch nicht mit signifikanten mineralogischen Änderungen verbunden ist. Diese Zone erstreckt sich in einem diffusiven Transportregime über einige Meter um das Lager, während sie sich bei advektivem Transportregime mit höheren Wasserflüssen und einer sehr niedrigen Porosität des Wirtgesteins auch über mehr als tausend Meter in Abstromrichtung ausbreiten kann. Im Zementlager selbst könnte der Portlandit in einem diffusiv dominierten Transportregime bis zu einer Entfernung von etwa 2 m von der Grenzfläche zum Wirtgestein aufgelöst werden. Hinter der Auflösungsfront sinkt der pH des Porenwassers ab und das dritte Stadium der Betondegradierung wird erreicht. Im Falle von grösseren Wasserflüssen von einzelnen lithofaziellen Einheiten des Wirtgesteins in die Kavernen könnte sich die Portlanditauflösungsfront in 100'000 Jahren einige Meter in Fliessrichtung verschieben, wobei hinter der Front die Zementmaterialien mit der Zeit vollständig degradiert werden.

Falls Beton kieselsäurehaltige Zuschlagstoffe enthält können Zementmaterialien durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktionen degradiert werden. Hierbei reagieren kieselsäurehaltige Zuschläge mit Portlandit und bilden C-S-H Phasen. Dieser Prozess führt zum Absinken des pH-Werts im Porenwasser und wird langfristig zu einer vollständigen Auflösung der Zementmaterialien führen. Über den längerfristigen zeitlichen Verlauf dieser Reaktion ist wenig bekannt. Die Bewertung bekannter Reaktionsgeschwindigkeiten lässt allerdings den Schluss zu, dass die Zementdegradation durch diesen Prozess relativ schnell, d. h. in einigen hundert bis tausend Jahren erfolgen könnte.

Die Degradierung organischer Abfälle in einem Zementlager wird vermutlich überwiegend mittels Methanogenese erfolgen, wobei CO2 und CH4 freigesetzt werden. Infolge der ungünstigen Lebensbedingungen (hohe pH-Werte) wird die für die Degradierung notwendige mikrobielle Aktivität sehr gering sein. Das freigesetzte CO2 wird das die Abfälle umgebende Zementmaterial mittels Karbonatisierung degradieren. Die Degradierungsraten der organischen Abfälle sind schwer vorherzusagen, da sie neben dem pH-Wert von weiteren schlecht quantifizierbaren Faktoren wie der Verfügbarkeit von Wasser und bestimmten Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff abhängen. Diese Faktoren wirken auf die mikrobiologisch gesteuerte Degradierung limitierend. Basierend auf dem heutigen Kenntnisstand lässt sich vermuten, dass niedermolekulare organische Materialien innerhalb von etwa 1'500 Jahren abgebaut werden. Die Abbauraten hochmolekularer organischer Substanzen sind mit grossen Unsicherheiten belastet. Es wird erwartet dass der Abbau mindestens einige tausend Jahre benötigt, aber eher bis zu einigen zehn- oder gar hunderttausend Jahren dauern könnte. Der Einfluss der Radionuklidkomplexierung in einer zementhaltigen Umgebung, wird bei der Erstellung der entsprechenden Sorptionsdatenbasis, welche für die provisorische Sicherheitsanalyse angewandt wird, berücksichtigt.

Einige anorganische Abfälle werden, genügend Wasser vorausgesetzt, mit den umgebenden Materialien reagieren. Herauszuheben ist hier die anoxische Korrosion von Metallen (inkl. Stahl), welche eine erhebliche Menge an H2 produzieren kann. Die Korrosionsprodukte (z. B. Fe3O4, FeOOH) wiederum können zur Degradierung der umgebenden Zementmaterialien beitragen. Voraussetzung ist wiederum eine Wasserphase, in der gelöste Stoffe transportiert werden können.

Im Vergleich mit früheren Arbeiten hat sich die generelle Beschreibung der Zementdegradation nicht geändert. Damit sind auch die sich ergebenden Konsequenzen für den Radionuklidtransport (Retention) und die Radionuklidlöslichkeiten gleich geblieben. Es wird deshalb empfohlen, die bisher verwendeten Ansätze bezüglich der Beschreibung der Radionuklidlöslichkeit und der Radionuklid-Sorption (Kd-Konzept) beizubehalten. Ebenso wird der kolloidgetragene Radionuklidtransport als sehr unwahrscheinlich erachtet, da die Wirtgestein- und die Nahfeldporenwasserchemie weiterhin zu sehr geringer Kolloidstabilität führen und Kolloidkonzentrationen dementsprechend sehr niedrig sind.