Mätning av diffusionshastighet för silver i lera-sand-blandning

Transkript

1 I 53 ft» II Mätning av diffusionshastighet för silver i lera-sand-blandning Bert Allard Heino Kipatsi Chalmers tekniska högskola POSTADRESS: KämMtn$*$äk0rt*t, Fick Stockholm. TitfonOe

2 MÄTNING AV DIFFUSIONSHASTIGHET FÖR SILVER I LERA-SAND-BLANDNING Bert Allard Heino Kipatsi Chalmers Tekniska Högskola Denna rapport utgör redovisning av ett arbete som 'ltf'jrts på uppdrag av KBS. Slutsatser och värderingar i rapporten är författarens och behöver inte nödvändigtvis sammanfalla med uppdragsgivarens. I slutet av rapporten har bifogats en förteckning över av KBS hittills publicerade tekniska rapporter i denna serie.

3 INSTITUTIONEN FOR KARNKEMI DEPARTMENT OF NUCLEAR CHEMISTRY

4 MÄTNING AV DIFFUSIONSHASTIGHET rö"r SILVER I LERA-SAND-BLANDNING (Objekt 19:07, KBS) B Allard, H Kipatsi Institutionen för kärnkemi Chalmers tekniska högskola Fack, Göteborg

5 INNEHALLSFÖRTECKNING 1. INLEDNING 2. DIFFUS IONSPROCESSER 2.1. Ficks lag 2.2. Skenbara diffusionskoefficienten 2.3. Fördelningskoefficienten 3. EXPERIMENTELL TEKNIK 3.1. Diffusionsmätningar 3.2. Fördelningsmätningar b. MÄTRESULTAT '».I. Försöksparametrar k.2. Mätresultat SLUTSATSER 6 6. REFERENSER 6

6 I. INLEDNING Vid en deponering av hogaktivt avfall eller utbränt kärnbränsle i berg måste avfallskroppens inkapslingsmaterial väljas så att risken för genombrott genom korrosion etc. min i me ras. Ett kapslingsmaterial som har föreslagits är koppar. Kapseln placeras i en lerbädd, som fungerar som buffertzon. Eftersom förvaret är tänkt att ligga under grundvattennivån sker så småningom en vattenmättnad av lerzonen. Vattenströmningen kring kapseln sker förmodligen huvudsakligen utanför denna zon. En utlösning av koppar, troligen som Cu(l) under de rådande betingelserna, måste dock beaktas. Upplösningshastigheten och därmed tiden till kapslingsgenombrott betingas därigenom bland annat av bort t rånsporthastigheten för utlösta Cu(l)-joner. Denna transport är till stor del en diffusionsprocess. Objekt 19:07 avsåg ursprungligen bestämning av diffusionshast igheten för Cu(l)-joner i lera-sand-blandning under representativa betingelser. Eftersom praktiskt laboratoriearbete med Cu(l) i vattenlösning kräver absolut frånvaro av oxiderade ämnen och då dessutom lämpliga radioaktiva mätnuklider saknas för koppar har istället objektet omformulerats till att avse bestämning av diffusionshastigheten för Ag(l)-joner, vilka bör ha likartade diffusionsegenskaper som Cu(l). 2. DIFFUSIONSPROCESSER 2.1. ficks lag Rena diffusionsprocesser kan beskrivas med Ficks lag : 22- * DÅ (I) at 3x 2 där c - koncentrationen av diffunderande specie t x * diffusionstiden - diffusionssträckan Vid diffusion i en lerbädd påverkas dock processen av fördelningsjämvikter i lera-vattensystemet. De flesta k at joner sorberas i lermaterial. Sorptionen är huvudsakligen en jonbytesprocess som kan vara koncent rat ionsberoende. Diffusionen sker huvudsakligen i vattenfasen

7 men även t i l l en del i lerfasen. Under de aktuella betingelserna är i jonhalterna i vattnet låga och jonbyteskapaciteten hög. En praktiskt sett koncentrationsoberoende fördelningsjämvikt kan fö»väntas. Transporten i den fasta lerfasen kan försummas eftersom den är betydligt 2 långsammare än transporten i vattenfasen. övriga förutsättningar som krävs för att ekvn (1) skall kunna till- 3.. lampas ar - revers i be 1 sorption - snabb sorptionsjämvikt relativt hastigheten för koncentrationsändringen i diffusionsriktningen Generellt kan inte förutsättas att sorptionsjämvikten är reversibel. Vissa processer är av ren jonbyteskaraktär medan andra mekanismer också kan förekomma Skenbara diffusionskoefficienten I stället för mätning av diffusioiskoefficienten D enligt ekvn (1) bestäms ofta den skenbara diffusionskoefficienten D. definierad enligt D A = i 2 /2t (2) där x = medeldiffusionssträckan Förde 1n i ngskoeff i c ienten Fördelningen av ett ämne A mellan lera och vattenfas kan beskrivas av fördelningskoefficienten K. enligt d c. (3* där q. = sorberad mängd på fösta fasen vid jämvikt [mol/kg] c. - halt i lösning vid jämvikt [mol/m ] Med kännedom om K. kan bidraget från sorptionsjämvikten till reten tionen av ämnet A uppskattas.

8 3. EXPERIMENTELL TEKNIK 3.1. Diffusionsmätningor En tub (längd 50 mm, diameter c:a 15 mm) användes för direktmätning av den skenbara diffusionskoefficienten. Torr lera packades mellan två keramiska silplattor, figur 1. Mt'lan den övre plattan och lerskiktet hade placerats ett pappersfilter belagd med en svårlöslig, radioaktivt märkt förening av det aktuella jonslaget. I detta fall hade filtret indränkts med AgNO,-lösning innehållande 11Om Ag och därefter nedsänkts i NaCl-lösning och torkats. Tuben placerades i en plastflaska fylld till några cm:s höjd med vatten, vilket trängde in genomsilf iltret och upptogs i lerskiktet. Figur 1. Anordning för diffusionsstudier K Silfilter 2. Pappcrsfilter belagt med radioaktivt märkt förening 3. Lerkropp (vattenmättad) (AgCl) I ett förberedande försök hade maximala vattenupptaget bestämts. Efter två dygn innehöll blandningen c:a 22 vikts-% vatten och vattenhalten var därefter konstant. Vattenhalten bör kunna betraktas som konstant under hela diffusionsti den eftersom maximalt vattenupptag skett efter c:a 5 tim. Diffjsionen i lerpe låren kunde följas genom upptag av autoradiogram, figur 2. Då tillräcklig vandringssträcka hade erhållits trycktes den fuktiga lerkroppen ut ur cylindern och snittades successivt i milli-

9 metertjocka skivor, varefter aktivitetsfördelningen mättes rad i ometriskt med scinti1lationsdetektor. Figur 2. Autoradiogram av aktivitetsfördelningen i lerkroppen efter 30 dygns diffusionstid 10 Diffusionssträcka, mm 3.2 O Förde In i ngsmätningår Fördelningskoefficienten för Ag(l) bestämdes genom skakförsök. k. MÄTRESULTAT * 1 Försöksparamet rar Följande försöksbetingelser gällde: Fast fas: Blandning av montmoriilonit (vol-clay, 10 vikts-'^ och kvartskross (0,02-0,06 mm; 90 vikts-%) i Vattensammansättning: a. Salthalt 1105 mg/1 (Aq nn,j TabelI 1. Vattensammansättningen b. Salthalt 293 mg/l (Aq 93 ) (Sammansättningen ges i tabell 1) Jon rnq/l mm Halter Aq 791 mg/l mm Hd M<j Ca Cl iul, HCO, ', ,53 0,26 0,62 1,87 14,10 0,08 0,16 3, ,5 37,5 93 0,75 7, n 13 0,31 0.9'» 7,62 0,QU n,08 i,64 Tot ,5* " 293 8,92" 1) mekv/l

10 Mät isotop: Temperatur: Oiffusionstid: Ag (Halveringstid: 253 dygn) a. 25 C b. 85 C 30 dygn el ler mera Mätresultat Uppmätta akt i vi tetsfördelningar och vandmgsst räckor ges i figur 3 för några representativa försök. Figur 3. Diffusion av Ag(l) i kvarts/montmori 1 lon i t. Akti«itet, cpn- n-5 5 t 25 C, Aq Dift usionssträcka, mn Akt i vi tet, rpn. 10 " Diffusionssträcka, mn

11 Diffusionskoefficienter beräknade enligt ekv.(2) ges i tabell 2. Tabell 2. Uppmätta dtffusionskoefficienter (m /s) Aq 1105 Aq 293 Temp.. C För Ag(l) uppmättes fördelningskoefficienten K rf = 65*10 i (vid 25 C, Ag 1l0,.; kvarts-montmor i 1 loni tblandning). m /kg 5.. SLUTSATSER Uppmätta diffusionskoefficienter överensstämmer väl med i litteraturen angivna värden för likartade system, om hänsyn tas till retencionen i leran (definierad av K.-värdft). d Diffusionskoefficienten ökar med ökad temperatur och med ökad salthalt i vattnet. Skillnaderna i diffusionshastighet mellan 25 C och 85 C liksom mellan höghalts- och låghaltsvattnet är dock ^.tydliga och i sammanhanget praktiskt betydelselösa. 6. REFERENSER 1. B.Al lärd, H.Kipatsi, J.Rydberg, "Sorption av långlivade radionuklider i leror och berg. Del I". KBS Teknisk Rapport.under tryckning. 2. I.Neretnieks, "Retardation of escaping nuclides from a final depository". Final report on the KBS-object Stockholm 1977, s V.M.Prokhorov,"lon diffusion in soil and its role in radionuclide migration",) V.M.Klechkovski,G.G.Polikarpov.R.M.AIeksahin (red.), "Radioecology", John Wiley 6 Sons,New York och Israel Program for Scientific Translations, Jerusalem,London 1971, s.103.

12 1». L.L.Amf, JR, "Self diffusion of some cations in open zeolites", The Americar Mineralogist j> (1965) *» A.Jacobsson,R.Puch. "Deponering av högakt i vt avfall i borrhål med buffertsubstans", KBS Teknisk Rapport 03, Stockholm 1977.

13 FÖRTECKNING ÖVER KBS TEKNISKA RAPPORTER 01 Källstyrkor i utbränt' bränsle och högakt i vt avfall frän ni!'wr bimiikna.il' med OK1CKN Nils Kje 1 lbert AB Atomenergi I'M angående värme! edni ngsta I lins jordmater i a 1 Sven KTHILSSOII Roland Pust-h Högskolan i Luleå Deponering av liögaktivt avfall i borrhål med buffertsubstans Arvid.Jacobsson Roland 1'usch Högskolan i l.ulea Deponering av liögaktivt avfall i tunnlar med btif f erlsubst ans Arvid Jacobsson Roland Pusch Högskolan i Luleå Orienterande temperaturberäkningar för slutförvaring i berg av radioaktivt avfall, Rapport I Roland Blomqvist AB Atomenergi Croundwater movements around a repository, Phase I, State of the art and detailed study plan Ulf Lindblom Hagronsn11 AB Resteffekt studier för KBS Del 1 Litteraturgenomgång Del 2 Beräkningar Kim I'.kbet) 1, Nils Kjellbert Ciiran Olsson AB Atomenergi Ut läkning av franskt, engelskt och kanadensiskt glas med högakt i vt avfa11 Göran Blomqvist AB Atomenergi

14 09 Diffusion of solublerc.iterialsin a fluid filling a porous medium Hans Häggblom AB Atomenergi Translation and development of* the BNWL-Geosphere Model Bertil Crundfelt Kemakta Konsult AB Utredning rörande titans lämplighet som korrosionshärdie kapsling för kärnbränsleavfall Sture Henriksson AB Atomenergi Bedömning av egenskaper och funktion hos betong i s.'mband med slutlig förvaring av kärnbränsleavfall i berg Sven C Borgström Göran 1'ngerlund Lars Rombén Cement- och Betonginstitutet Urlakning av använt kärnbränsle (bestrålad uranoxid) vid di rektdepone ring Ragnar Gel in AB Atomenergi Influence of cementation on the deformation properties of bentonite/quartz buffer substance Roland I'usch Högskolan i Luleå Orienterande temperaturberäkningar för slutförvaring i berg av radioaktivt avfall Rapport 2 Roland Blomquist AB Atomenergi Översikt av utländska riskanalyser samt planer och projekt rörande slutförvaring Åke Hult gren AB Atomenergi augusti The gravity field in Kennoscandia and postglacial crustal movements Arne Hjerhammar Stockholm augusti Rörelser och instabilitet i den svenska berggrunden Ni 1s-Axe1 Mörner Stockholms Universitet augusti Studier av neotektonisk aktivitet i mellersta och norra Sverige, f!ygbiidsgenomgang och geofysisk tolkning av recenta förkastningar Robert Lagerbäck Herbert Henkel Sveriges Geologiska Undersökning september 1977

15 20 Tektonisk analys av södra Sverige, Vättern - Norra Skåne Kemier t Röshoff Erik Lagerlund Lunds Universitet och Högskolan Luleå september Karthquakes of Sweden , Ota Kulhänek Rutger Wahlström Uppsala Universitet september The influence of rock movement <m the stress/strain situation in tunnels or bore lmli-s wi th radioactive consisters embedded in a bentonite/quartz buffer mass Roland Tusch Högskolan i Luleå Water uptake in ; bentonite buffer mass A model study- Roland Pusrh Högskolan i Luleå Beräkning av utlakning av vissa fissionsprodukter och aktinider från en cylinder av franskt glas Höran lilomqvist AB Atomenergi Blekinge kustgnejs, Geologi och hydrogeologi Ingemar Larsson KTH Tom Lundgren SGI Ulf Wikländer SGU Stockholm, augusti Bedömning av risken för fördröjt brott i titan Kjell 1'et tersson AB Atomenergi A short review of the formation, stability and cementing properties of natural zeolites Arvid Jacobsson Högskolan i Luleå Värme 1edningsförsök på buffertsubstans av hentonit/pitesi11 Sven Knutsson Högskolan i Luleå Deformationer i sprir.kigt berg Ove Stephnnsson Högskolan i Luleå Retardation of escaping nuclides from a final depository Ivars Neretnieks Kungliga Tekniska Högskolan Stockholm Bedömning av korrosionsbestaml igheteti hos material avsedda för kapsling av khrnbränsleavfal 1. Lägesrapport samt kompletterande yttranden. Korrosionsinstitutet och dess referensgrupp

16 32 Long term minera logii 11 properties of bentonite/quartz buffer substance Preliminär rappart november 1977 Slutrapport februari 1978 Roland Pus cii Arvid Jacobsson Högskolan i Luleå 33 Required physical and mechanical properties of buffer masses Roland Puscli Högskolan Luleå Tillverkning av bly-titan kapsel Folke Sandelin AB V B B ASKA-KabeI Institutet för metal I forskning Stockholm november Project for the handling and storage of vitrified high-level waste Saint Gobain Techniques Nouvelles October, Sammansättning av grundvatten på större djup i granicisk berggrund.lan Remier fel t Orrjc & Co, Stockholm Hantering av buffertmaterial av bentonit och kvarts Hans Fager ström, VBIJ Björn Lundahl, Stabilator Stockholm oktober Utformning av bergrumsanläggningar Arne Finne, KBS Alf Eng;; Ib rekt son, VBB Stockholm december Konstruktionsstudier, direktdeponering ASKA-ATOM VBB Väst eras 40 Fkologisk transport och stråldoser från grundvattenburna radioaktiva ämnen Ronny Bergman Ulla Bergström Sverker Kvans AB Atomenergi 41 Säkerhet och strålskydd inom kärnkraftområdet. Lagar, normer och beciömningsgrundcr ('.hr i st i na flyl 1 änder Siegfried V Johnson Stig Roland son AB Atomenergi och ASLA-ATOM

17 42 Säkerhet vid hantering, lagring och transport av använt kärnbränsle och förglasat högaktivt avfall Ann Margret Ericsson Kemakta november Transport av radioaktiva ämnen med grundvatten från ett bergförvar Bertil Grundfelt Kemakta november Beständighet hos borsilikatglas Tibor Lakatos Clasteknisk Utveckling AB 45 Beräkning av temperaturer i ett envånings slutförvar i berg för förglasat radioaktivt avfall Rapport 3 Roland Blomquist AB Atomenergi Temperaturberäkningar för använt bränsle Taivo Tarandi VBB 47 Teoretiska studier av grundvattenrörelser Preliminär rapport oktober 1977 Slutrapport februari 1978 Lars Y Nilsson John Stokes Roger Thunvik Inst för kulturteknik KTH 48 The mechanical properties of the rocks in Stripa, Kråkemåla, Finnsjön and Blekinge Graham Swan Högskolan i Luleå Bergspänningsmätningar i Stripa gruva Hane Carlsson Högskolan i Luleå Lakningsförsök med högaktivt franskt glas i Studsvik Göran Blomqvist AB Atomenergi november Seismotechtonic risk modelling for nuclear waste disposal in the Swedish bedrock F Ringdal H Gjöystdal E S Hysebye Royal Norwegian Council for scientific and industrial research 52 Calculations of nuclide migration in rock and porous media, penetrated by water H Häggblom AB Atomenergi

18 53 Mätning av di t iusionshastighet för silver i lera-sand-blandn ing ISert Al lärd Heine Kipatsi Chalmers tekniska högskola Groundwater movements around a repository 54:01 Geological and geotecliuic.a I conditions Håkan Stil lo Anthony Burgess U! f! : Lindblom Hagconsult AI5 september :02 Thermal analyses I'arl 1 C.ondiK't ion heat transfer Part 2 Advective heat transfer Joe I. Ratigan Hagconsult AIi september :03 Regional gi imindwater I lew analysi's 1'art 1 Initial rond i t i.mis Part 2 Long term residual conditions Anthi.ny Burgess Hagconsult AH oktober :04 Rock mechanics analyses Joe I. Kat i gan Hagconsult AB september :05 Repository domain groumiwater flow analyses Part 1 Permeability perturbations Part 2 Inflow to repository Part 3 Thermally induced flow Joe I. Rat igan Ant liony S Kurgess I'.dward I. Skiba Robin Charlwood 54:06 Final report l'l f hi ndblom et al Hagconstilt Mi oktober Sorption av långlivade rad i onuk I ider i lera och berg Del 1 Hes Lämning av 1ördelningskoefficienter Del 2 Litteraturgenomgång Bert AlIard lie i no Kipatsi Jan Rydberg Chalmers tekniska högskola Radio lys av utfy1lnadsmaterial Bert Al lärd Heino Kipatsi Jan Rydberg Chalmers tkniska högskola

19 57 Stråldoser vid haveri und3r sjötransport av kärnbränsle Anders Appelgren Ulla Bergström Lennart Devell AB Atomenergi 58 Stralrisker och högsta tillåtliga stråldoser för människan Gunnar Walinder FOA 4 november Tectonic lineaments in the Baltic from Gävle to Simrishamn Tom Floden Stockholms Universitet