Technisches Forum Sicherheit
Beantwortung der Frage 91

swisstopo,
David Jaeggi
Paul Bossart

TFS, 19. November 2013
Frage 91

Verhalten von Versiegelungsmaterial
Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisc...
Experimente mit Bentonit im Felslabor Mont Terri
1998-2003 2001-2014

2002-2030

2005-2012

2011-2016

2012-2016

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HE-B (Heater) Experiment
Ziele des Experiments:

• Einfluss der Temperatur und Sättigung auf
THM-Prozess (THM=Thermisch-Hy...
HE-B (Heater) Experiment
• Maximale T im Buffer 100 ergaben T für OPA von
nur 40 , keine Veränderung im Gestein erkennbar
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CI (Cement Clay interaction) Experiment
Ziele des Experiments:

• Einfluss von Zement/Beton auf OPA und auf
Bentonit

• Un...
CI (Cement Clay interaction) Experiment
395 mm
LAC
Beton
MX-80

Bentonit
OPC
CI Experiment by Urs Mäder und Florian Dolder...
CI (Cement Clay interaction) Experiment
• Low pH-Zement ist genau so reaktiv
wie OPC (ordinary portland cement)
OPC

• Gut...
HE-E (Heater) Experiment
Ziele des Experiments:
• Charakterisierung der frühen nicht isothermalen
Aufsättigungsperiode und...
HE-E (Heater) Experiment
Zwischenresultate nach 15 Monaten Laufzeit:

• Höhere thermische Leitfähigkeit der Bentonit
Pelle...
FE (Full-Scale Emplacement) Experiment
Ziele des Experiments:
• Untersuchung der THM Effekte, welche durch den
Einlagerung...
Frage 91a
Zusammenfassung:
Die Mont Terri Experimente bestätigen folgende vorteilhafte Eigenschaften von Bentonit:
• Gute ...
Frage 91 b
Verhalten von Versiegelungsmaterial
Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemis...
Bentonit

Pecos River, Texas
Relevante Prozesse:
System Bentonit-Beton-Porenwasser

Reaktion im Beton

Transport von
OH-, Ca++, etc. in
den Bentonit

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Modellierung
1

Savage et al., 2007

Was Modellierungen voraussagen:
- Ausfällen neuer Mineralien im Bentonit inkl.
Dichtm...
Natürliche Analoga von Bentonit
Mangatarem district, Philippines
Tsukuda et al., 2007
Natürliche Analoga von Bentonit
Mangatarem district, Philippines
Tsukuda et al., 2007

Fazit:
- Die hoch-pH Lösungen aus d...
Frage 91 c, d

Verhalten von Versiegelungsmaterial
Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandg...
EB (Engineered Barriers) Experiment
Ziele des Experiments:

• Demonstration des Konzeptes für HLW
• Demonstration des Verh...
EB (Engineered Barriers) Experiment
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Hydratation des Bentonits von 2002 – 2007, total 15’165 Liter
Totale Drucke v...
EB (Engineered Barriers) Experiment

• Canister emplacement
• Bentonite backfilling
• Artificial hydration
EB Experiment, Rückbau (AITEMIN)
(Oktober 2012 – Februar 2013)
EB Experiment

Main activities/Outcome

Resultate Rückbau
EB Experiment, Resultate Backfill
Totaler Druck (Abschnitt E)

A1-25

E

Trockendichte (A1-25)

Wassergehalt (A1-25)
Frage 91 c, d
Beobachtungen aus dem EB Experiment:
- Künstliche advektive Wasserfliesswege zu Beginn der Austättigung des ...
Frage 91 e
Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch.
e) Beim Kontakt mit aggressivem ...
Schlussfolgerung:
• Barriere: Bentonit ist eine hochwirksame Barriere in geologischen
Tiefenlagern zur Rückhaltung von Rad...
Referenzen
•

McKinley, I.G., Alexander, W.R., Arcilla, C.A., Kawamura, H. and Takahashi, Y.
(2007): IPHAP: a new analogue...
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  1. 1. Technisches Forum Sicherheit Beantwortung der Frage 91 swisstopo, David Jaeggi Paul Bossart TFS, 19. November 2013
  2. 2. Frage 91 Verhalten von Versiegelungsmaterial Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch. • a) Unter den zu erwartenden veränderten Bedingungen wie z.B. Wärme, Poren- oder Wasserdruck? • b) Über lange Zeiträume von 1 Million Jahre? • c) Bleibt die Versiegelung dicht, oder bilden sich neue Wasserfliesswege • d) Beim Kontakt mit Fliesswasser? • e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und Sulfatgehalt?
  3. 3. Experimente mit Bentonit im Felslabor Mont Terri 1998-2003 2001-2014 2002-2030 2005-2012 2011-2016 2012-2016 2011-?? FE IC-A HE-E SB HE-B 1.Heizexperiment “BentonitDonuts” EB Granular Backfill CI Hoch-pH Zementwasser; Bentonit Bentonit & Sand-Bentonit Versiegelung Bohrung 4. Heizexperiment Bentonit & Sand-Bentonit 1:2 Experiment Zunehmende Komplexizität Korrosionsexperiment Stahl+Bentonit Mit Bentonit HAA Konzept 1:1 Experiment.
  4. 4. HE-B (Heater) Experiment Ziele des Experiments: • Einfluss der Temperatur und Sättigung auf THM-Prozess (THM=Thermisch-HydraulischMechanisch-gekoppelt) • Interaktion Buffer (komprimierter Bentonit) – Host rock (Opalinuston) Konzept des Experiments: • Zentrales Bohrloch 7.5 m lang, ø 300 mm mit Heizung 100 und Bentonit-Donuts • • • 19 Beobachtungsbohrungen drum herum • Heizperiode 18 Monate, danach Dismantling Künstliche Sättigung des Bentonits Beobachtungsbohrungen und Heizbohrung instrumentiert mit pp, T, Deformationen Partner: BGR, ENRESA, GRS
  5. 5. HE-B (Heater) Experiment • Maximale T im Buffer 100 ergaben T für OPA von nur 40 , keine Veränderung im Gestein erkennbar • Durch die Heizung wurde der Bentonit ausgetrocknet und die thermische Leitfähigkeit verringerte sich • Das Bentonitvolumen erhöhte sich um 9%, Potential also noch nicht ausgeschöpft 5- • Physico-chemische Veränderungen durch Hitze und Sättigung waren gering • Keine mineralogischen Veränderungen des water content / % Bentonits 22 • Aufsättigung: Quelldruck von 2.8 MPa wurde 37 42 depth / cm 350 450 550 650 750 heater im Bereich der Heizung 32 250 innerhalb von 6 Tagen erreicht • Gravimetrischer Wassergehalt bis zu 10% verringert 27 150 innner a middle b outer c
  6. 6. CI (Cement Clay interaction) Experiment Ziele des Experiments: • Einfluss von Zement/Beton auf OPA und auf Bentonit • Untersuchung der Prozesse/Reaktionen an der Grenze Zement (Beton) – Opalinuston / Bentonit. Konzept des Experiments: • 2 Bohrungen wurden mit den verschiedenen Zementarten gefüllt • • System wurde künstlich aufgesättigt • Experiment dauert 20 Jahre In logarythmischer Zeitskala werden Proben der Grenzbereiche entnommen Partner: ANDRA, CRIEPI, IRSN, NAGRA, OBAYASHI, SCK.CEN; Major contractor: RWI, Uni Bern
  7. 7. CI (Cement Clay interaction) Experiment 395 mm LAC Beton MX-80 Bentonit OPC CI Experiment by Urs Mäder und Florian Dolder, Universität Bern.
  8. 8. CI (Cement Clay interaction) Experiment • Low pH-Zement ist genau so reaktiv wie OPC (ordinary portland cement) OPC • Gut aufgelöste chemische Zonierung im Beton gegen den Bentonit hin Bentonit • Keine sichtbare Alterierung des Bentonits gegen den OPA hin • Beton ist die reaktive Komponente – Auffälliger weisser Saum entlang Bentonit! wirkt als Senke für Massentransfer, kaum Veränderungen im Bentonit • Bentonit ist sehr homogen aufgequollen • Herabsetzung hydraulische OPA Bentonit Durchlässigkeit in Kontaktzone Keine Sichtbare Reaktionszone!
  9. 9. HE-E (Heater) Experiment Ziele des Experiments: • Charakterisierung der frühen nicht isothermalen Aufsättigungsperiode und deren Einfluss auf das THMVerhalten • Experimentelle Daten für die Validation und Kalibrierung von numerischen Modellen. • Upscaling der thermischen Leitfähigkeit von Labordaten auf 1:1-Skala für Bentonit und S/B-Gemische Konzept des Experiments: • 1:2 Massstab Mikrotunnel • zwei Kompartimenten S/B und Pellets • Natürliche Sättigung • Heizertemperatur 140 von Juni 2011 - ?? • Instrumentierung Heizer, technische und natürliche Barriere mit P, T, RH, Verschiebung, Seismik, Geoelektrik BGR, ENRESA, GRS, NAGRA EC-co-funded
  10. 10. HE-E (Heater) Experiment Zwischenresultate nach 15 Monaten Laufzeit: • Höhere thermische Leitfähigkeit der Bentonit Pellets, als S/B • Hochverdichtete Blöcke wirken als thermische Brücke • Feuchtigkeiten im Bentonitpellet-Abschnitt steigt geringfügig an, bedingt durch höhere Saugspannung • 100% RH an S/B-OPA Grenze sehr schnell erreicht • Porenwasserdrucke im Gebirge ändern in einem Radius von 10 m um den Mikrotunnel
  11. 11. FE (Full-Scale Emplacement) Experiment Ziele des Experiments: • Untersuchung der THM Effekte, welche durch den Einlagerungsvorgang entstehen • Demonstration der Einbringung (Machbarkeit) • Langzeitexperiment 10-15 Jahre unter in-situ Bedingungen Konzept des Experiments: • 50 m langer Stollen, 3 m Durchmesser • Instrumentierung Tunnel und Nahfeld • Einbau von 3 x 1500 W Kanisterdummies, verfüllen, verschliessen, Langzeitmonito ring ANDRA, BGR, DOE, GRS, NAGRA, NWMO EC-co-funded
  12. 12. Frage 91a Zusammenfassung: Die Mont Terri Experimente bestätigen folgende vorteilhafte Eigenschaften von Bentonit: • Gute Quelleigenschaften (Volumenausdehnung, Quelldrucke). Steuerbar über die Trockendichte • Gute Gasdurchlässigkeit im ungesättigten und teilweise gesättigten Zustand. Mit Sand-Bentonitmischungen steuerbar • Sehr geringe hydraulische Durchlässigkeit im gesättigten Zustand • Hohe Plastizität im gesättigten Zustand. Sehr gute Abdichtungseigenschaften • Retardation von Radionukliden: hervorragende Sorptionseigenschaften, inklusive Kolloidfiltration • Diffusiver Stofftransport durch Bentonit Backfill • Zeitliche Stabilität ABER: Bentonit kann seine vorteilhaften Eigenschaften ändern, z.B. bei hohen pH-Werten (Reaktion von Bentonit-Porenwasser mit Beton), aber auch beim Kontakt mit hochsalinen Wässern und bei zu hohen Temperaturen. Dies vermindert die Barriereneigenschaften: • Reduzierte Quellkapazität • Reduzierte Sorption von Radionukliden
  13. 13. Frage 91 b Verhalten von Versiegelungsmaterial Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch. • a) Unter den zu erwartenden veränderten Bedingungen wie z.B. Wärme, Poren- oder Wasserdruck? • b) Über lange Zeiträume von 1 Million Jahre? • c) Bleibt die Versiegelung dicht, oder bilden sich neue Wasserfliesswege • d) Beim Kontakt mit Fliesswasser? • e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und Sulfatgehalt? - Modellierung: von der Gegenwart in die Zukunft (Prognosen) Natürliche Analoga: von der Gegenwart in die Vergangenheit
  14. 14. Bentonit Pecos River, Texas
  15. 15. Relevante Prozesse: System Bentonit-Beton-Porenwasser Reaktion im Beton Transport von OH-, Ca++, etc. in den Bentonit Erhöhung des pH im Bentonit Montmorillionit geht in Lösung wird gefördert wird verhindert Fällung neuer Mineralphasen Rissbildung Quelle: McKinley et al. 2007, vereinfacht Zementation
  16. 16. Modellierung 1 Savage et al., 2007 Was Modellierungen voraussagen: - Ausfällen neuer Mineralien im Bentonit inkl. Dichtmachen der Porosität (1) - Auflösen von z.B. Tonmineralien im Bentonit (2) Problematik: - Wie gut bekannt sind die Kennwerte? z.B. Kinetik, sekundäre Mineralogie, Mineraleigenschaften 1 - Mechanische Veränderungen sind in heutigen Modellen nicht enthalten (gekoppelte Prozesse) z.B. Quelldruckveränderung (Volumen) 2 → Wie gut stellen Modelle die Realität dar? (Ein Modell ist nicht die Realität) Gaucher et al., 2004 Darum: man braucht mehr experimentelle Daten um Modelle zu verbessern und realistischer zu machen.
  17. 17. Natürliche Analoga von Bentonit Mangatarem district, Philippines Tsukuda et al., 2007
  18. 18. Natürliche Analoga von Bentonit Mangatarem district, Philippines Tsukuda et al., 2007 Fazit: - Die hoch-pH Lösungen aus dem Serpentin (->Spritzbeton) wandelten die Montmorillionite im Bentonit in neue Minerale um. Die Sorptionskapazität des Bentonites ist hier klar vermindert. - Dieser Reaktionssaum ist aber begrenzt und nur einige Milimeter dick - Risse im Serpentin (->Spritzbeton) wurden mit den neu ausgefällten Mineralien abgedichtet - Dieser Aufschluss ist ein Analogon für die Situation eines geologischen Tiefenlagers nach einigen hundert bis Tausend Jahre.
  19. 19. Frage 91 c, d Verhalten von Versiegelungsmaterial Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch. • a) Unter den zu erwartenden veränderten Bedingungen wie z.B. Wärme, Poren- oder Wasserdruck? • b) Über lange Zeiträume von 1 Million Jahre? • c) Bleibt die Versiegelung dicht, oder bilden sich neue Wasserfliesswege • d) Beim Kontakt mit Fliesswasser? • e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und Sulfatgehalt?
  20. 20. EB (Engineered Barriers) Experiment Ziele des Experiments: • Demonstration des Konzeptes für HLW • Demonstration des Verhaltens vom System Bentonitblöcke, Kanister, Bentonitpellets Konzept des Experiments: • • • • Dummy Kanister in 6 m langem Stollen 1:1 • 2013 Dismantling und Analyse Bentonit 2 m dicker Betonpfropfen als Abschluss Künstliche Aufsättigung des Bentonits Langzeitmessung P/T/Verformung 2002 – 2012 ENRESA, ANDRA, BGR, NAGRA; key contractor: AITEMIN. EC-co-funded
  21. 21. EB (Engineered Barriers) Experiment • • • • Hydratation des Bentonits von 2002 – 2007, total 15’165 Liter Totale Drucke variieren zwischen 14 und 22 bar Porenwasserdrucke im Fels erreichen bis 14 bar Der Dummybehälter wurde um 10 mm angehoben und seitlich um 6 mm verschoben • Erhöhte Trockendichten über dem Behälter, reduzierte Wassergehalte über dem Behälter • Dismantling brachte sehr felsähnlichen verquollenen Bentonit zutage • Material makroskopisch homogenisiert, ursprüngliche Struktur der Pellets nicht mehr erkennbar • Material im feuchten Zustand plastisch, bei Austrocknung Erhöhung Festigkeit.
  22. 22. EB (Engineered Barriers) Experiment • Canister emplacement • Bentonite backfilling • Artificial hydration
  23. 23. EB Experiment, Rückbau (AITEMIN) (Oktober 2012 – Februar 2013)
  24. 24. EB Experiment Main activities/Outcome Resultate Rückbau
  25. 25. EB Experiment, Resultate Backfill Totaler Druck (Abschnitt E) A1-25 E Trockendichte (A1-25) Wassergehalt (A1-25)
  26. 26. Frage 91 c, d Beobachtungen aus dem EB Experiment: - Künstliche advektive Wasserfliesswege zu Beginn der Austättigung des Bentonites im EB-Experiment: ca. 10’000 Liter künstliches Porenwasser innerhalb weniger Wochen ins Testintervall injiziert, deutliche Exfiltration durch EDZ, Salzausfällungen ausserhalb Testzone). Temporärer Stop. Wiederaufnahme der künstlichen Aufsättigung, aber mit deutlich geringeren Fliessraten über mehrere Jahre - In-situ Feuchtemessungen im Bentonit zeigen nach rund 6 Jahren 100% relative Feuchte, womit die Aufsättigung abgeschlossen ist - Totaler Druck und Schwelldruck steuerbar über die Trockendichte - Rückbau des EB Stollens zeigen einen dichten, homogenen Bentonit (makroskopisch). Analysen (mikroskopisch) belegen unterschiedliche Trockendichten und Wassergehalte an der Sohle und Firste. Fazit: - Natürliche Aufsättigung: diffusiver Wassertransport (im Gegensatz zu advektivem Transport bei der künstlichen Aufsättigung). Bei der natürlichen Aufsättigung besteht kein Kontakt mit «fliessendem Wasser» - Falls Trockendichte im Bentonit-Backfill homogen verteilt ist und die diffusive Aufsättigung vom Opalinuston in den Backfill stattfindet, ist die Wahrscheinlichkeit einer Bildung von advektiven Wasserfliesswegen sehr gering.
  27. 27. Frage 91 e Wie verhält sich das Versiegelungsmaterial Bentonit bzw. Bentonit-Sandgemisch. e) Beim Kontakt mit aggressivem Tiefengrundwasser mit hohem Chlorid- und Sulfatgehalt? • Kontakt von Bentonit mit niedrig- bis mittel-salinen Wässern (10-40 g/L): - Quell- und Sorptionseigenschaften nicht beeinträchtigt. Grund 1: hohe Kationenaustauschkapazität Grund 2: liegt in der Pufferung der Porenwasserchemie durch gelöste Salze Ca++,CO3-- ; Ca++,SO4-Anionen: Wie verhält sich das Cl-?: Diffundiert durch Bentonit ohne Sorption. Effekt des Anionenausschlusses In-situ Bestätigung (WS-A, B, C…. I Experimente). Die höchsten Salinitäten betragen rund 20 g/L. - • Kontakt von Bentonit mit hoch-salinen Wässern (> 100 g/L): - Quell- und Sorptionseigenschaften beeinträchtigt Grund: elektrische Doppelschicht wird bei hoher Ionenkonzentration zusammengedrückt.
  28. 28. Schlussfolgerung: • Barriere: Bentonit ist eine hochwirksame Barriere in geologischen Tiefenlagern zur Rückhaltung von Radionukliden. Vorteile: Quellkapazität, Sorptionseigenschaften, diffusiver Stofftransport in gesättigtem Zustand • Performance Tiefenlager: Kann je nach Anforderungen optimiert & angepasst werden (z.B. Quelldrucke durch Einstellung der Trockendichte, Bentonit-Sandgemische bei stark gasproduzierenden Abfällen) • Stabilität über lange Zeiträume: Voraussetzung: einwandfreie Verfüllung der Einlagerungstollen (z.B. homogene Trockendichte), kontinuierliche und gleichmässige Aufsättigung (diffusiver Feuchtetransport), Ausgleich der hydraulischen Gradienten nach Aufsättigung. • Spezielles Augenmerk zu richten auf: Bentonit im Kontakt mit Hoch-pH Wässer (Minimierung von Beton), wärmemeproduzierende Abfälle (Minimierung Temperaturmaxima).
  29. 29. Referenzen • McKinley, I.G., Alexander, W.R., Arcilla, C.A., Kawamura, H. and Takahashi, Y. (2007): IPHAP: a new analogue of bentonite alteration by cement leachates. • Courdouan, A., Christl, I., Meylan, S., Wersin, P., Kretzschmar, R., 2007: Characterization of dissolved organic matter in anoxic rock extracts and in situ pore water of the Opalinus Clay. Appl. Geochem. 22, 2926–2939. • Tsukuda, Y., Fujita, K., Nakabayashi, R., Sato, T., Yoneda, T., Yamakawa, M., Fujii, N. , Namiki, K., Kasama, T., Alexander, R., Areilla, C. and Pascua, C. (2009): Natural analogue study for interaction between alkaline groundwater and bentonite at Mangatarem region in the Philippines. • Wersin, P., Leupin, O.X., Mettler, S., Gaucher, E., Mäder, U., De Cannière, P., Vinsot, A., Gabler, H.E., Kunimaro, T., Kiho, K., Eichinger, L., 2011. Biogeochemical processes in a clay formation in situ experiment: part A – overview, experimental design and water data of an experiment in the Opalinus Clay at the Mont Terri Underground Research Laboratory, Switzerland. Appl. Geochem.

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