BGR-Beiträge zu der BGE-Veranstaltung
"Tage der Standortauswahl" vom 12.-14.12.2019
Poster: Geotechnische Barriere "Bentonit"
Stephan Kaufhold, Reiner Dohrmann (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover)
18 Jahre Bentonitforschung der BGR
Kurzbeschreibung:
Die Bentonit-Endlagerforschung der BGR konzentrierte sich von Beginn an auf den Vergleich verschiedener Bentonite. Mittlerweile beläuft sich die BGR-Bentonitsammlung auf 77 verschiedene Bentonite aus der ganzen Welt. Diese wurden nach dem Stand der Technik charakterisiert und in diversen vergleichenden Tests eingesetzt. Basierend auf den Erkenntnissen, die durch die Untersuchung verschiedener Bentonit-Großversuche (Mont Terri, Grimsel, Äspö) erzielt wurden, konnten die zu betrachtenden Parameter bzw. Reaktionen eingegrenzt werden. Neben den bereits bekannten Lösungs-Fällungsreaktionen, die natürlich besonders dann zu beobachten sind, wenn vergleichsweise lösliche Komponenten im Bentonit vorkommen (z. B. Gips, Calcit) sind dies die Mineralumwandlungen an der Bentonit/Zementgrenze, die Beeinflussung der Metallkorrosionsrate durch den Bentonit und die Anreicherung von Mg an der heißen Metalloberfläche.
Im Kontakt mit Zement kann sich Smektit, der Hauptbestandteil von Bentonit auflösen, was die Barrierefunktion beeinträchtigen würde. In den letzten Jahren wurde eine Methode entwickelt, mit der man bei unterschiedlichsten Bedingungen die Zersetzung des Smektits quantifizieren kann. Dabei ergab sich bisher, dass die Reaktion schon nach wenigen Monaten im Wesentlichen abgelaufen ist. Zudem wurde eine Art Faustformel entdeckt, die besagt, dass 1 Gramm Zement ca. 2 Gramm Smektit zersetzen kann. Schließlich wurde auch gefunden, dass reaktive Kieselsäure die Reaktion puffert (Kaufhold et al., 2019 – submitted). Wählt man also einen Kieselsäure-reichen Bentonit, dann zersetzt der Zement geringere Mengen der Smektite.
Die Eisen-Bentonit Grenzfläche ist womöglich die relevanteste, da die Korrosionsrate von Eisen im Kontakt mit Bentonit von 0,5 – 50 μm/a variiert. Bei einer Eisenwandstärke von 10 cm (=100.000 μm) bedeutet das theoretisch eine Variation der Haltbarkeit des Kanisters von 2000 Jahren bis 200.000 Jahren. Anhand diverser vergleichender Korrosionstests wurde festgestellt, dass sich niedrig geladene Smektite leichter reduzieren lassen, was zeitgleich ihre Struktur destabilisiert. In der Folge steht mehr Si als Reaktionspartner für das gelöste Eisen zur Verfügung. Niedrig geladene Smektite fördern damit sowohl den „Verbrauch“ von Elektronen als auch von gelöstem Eisen. Dieser gekoppelte Prozess erklärt die bisherigen Beobachtungen, ein Reaktionsschema wurde entwickelt, auf deren Basis modelliert werden kann. (Kaufhold et al., 2019 – submitted).
Der Grund für die Mg-Anreicherung an der Metalloberfläche (Kanister) in Großversuchen ist bisher am wenigsten verstanden. Die Großversuche zeigen, dass die Metallsorte unerheblich für das Phänomen ist. In Laborversuchen wurden bisher Versuche mit Mg durchgeführt die gezeigt haben, dass das Mg in den hexagonalen Löchern der Smektitstruktur fixiert werden kann, allerdings nur wenn es sehr trocken ist. Anhand von kontrollierten Lösungsversuchen konnten wir zeigen, dass das Mg/Si Verhältnis im System von der Temperatur abhängt. Derzeit wird also getestet, ob der Grad der Mg-Anreicherung am Heater durch die Temperatur gesteuert werden kann. Für diesen Zweck ist eine Reihe von Säulenversuchen mit unterschiedlichen T-Gradienten geplant.
