Tillgängliga observationer och pågående studier. SKBdoc id Ola Karnland Martin Birgersson Ann Dueck

Relevanta dokument
Framtida mänskliga handlingar. Lerbuffertens stabilitet och saunaeffekten

Långsiktig Funktion. Frågeställningar

SKB anger i det följande när svar på delfrågorna 1-4 kommer att lämnas. För delfråga 5 ges svar i form av kompletterande information till ansökan.

Bentonitbufferten. KÄRNAVFALLSRÅDET Swedish National Council for Nuclear Waste. Montmorrilonitens struktur

KBS Bentonitsymposiet i Oskarshamn

Bufferten och återfyllning som kopparkapselns beskyddare vad vet vi i dag? Analys av buffertens funktion efter förslutning

Buffert och återfyllning som kopparkapselns beskyddare vad vet vi idag?

Interaktion mellan kopparkorrosionsprodukter och bentonit

Synpunkter på beständigheten hos lerbufferten i HLW-förvar

1. Utförlig motivering för den antagna geometriska formen för borteroderat

Instrumentering och utvärdering av fullskaleförsök av betongplugg för slutförvar av kärnbränsle

Corrosion of steel in concrete at various mouisture and chloride conditions. Licentiate work Johan Ahlström

Till: Svensk kärnbränslehantering AB, SKB Box Stockholm.

Yttrande rörande remisshanteringen av ansökan i sak, barriärfrågor, jordbävningar, alternativredovisningar m.m.

P Studier av frysningsegenskaper hos betong från 1 BMA. Per-Erik Thorsell Vattenfall Research and Development AB, Civil Engineering.

Svar till SSM på begäran om komplettering rörande konstruktionsförutsättning inflöde till deponeringshål mindre än 150 kubikmeter

2 Avfallskollin och kringgjutning i 1BMA

Hej Lars! Jag du hjälpa mig med kontakt för att fixa detta? Bästa hälsningar, Johan. cc Lisa Hedin, MKG -- Johan Swahn

Svar till SSM på begäran om förtydligande avseende svar på tidigare begäran om komplettering rörande grundvattenkemi på kort och medellång sikt

Pågående korrosionsforskning på SKB

SSM:s uppföljning av driftfrågor i buffert och återfyllning

Kärnavfallsrådet Seminarium om 2015 års kunskapslägesrapport Stockholm 24 mars Mätprogram för förslutna områden

Svar till SSM på begäran om komplettering rörande kriticitet

IPR Äspö Hard Rock Laboratory. International Progress Report. Egenskaper hos kontaktzon mellan betong och bentonit i pluggar

Granskning av SKB:s säkerhetsanalyser som avser slutförvaring av använt kärnbränsle. Presentation Östhammars kommun 20/5 2019

Kan man förlita sig på koppar som korrosionsbarriär?

1 Processer i kapseln som ger inre övertryck

Komplettering angående tillverkning och installation av buffertringar och buffertblock

Svar till SSM på begäran om komplettering rörande grundvattenkemi på kort och medellång sikt

Plan för händelseinventering - Projekt SFR - Utbyggnad. 1 Övergripande strategi och process

KBP1001 Brytning av Prototypförvaret. Lars-Erik Johannesson Pär Grahm. Disposition

Svar till SSM på begäran om komplettering rörande förvarsdjup

Fud Peter Wikberg Forskning för långsiktig säkerhetsanalys

Begäran om komplettering av ansökan om slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall effekter på andra organismer än människa

Kärnavfallsrådets möte om platsval för slutförvar: SKI:s föreskrifter m.m. Näringslivets hus 4-5 juni 2008

Kompletterande vattenprovtagning i Väsbyån och Oxundasjöns övriga tillflöden och utlopp

Referensgruppsmöte kopparkorrosion 21 juni 2011

Handläggare Allan Hedin, Jan Sarnet SSM Kvalitetssäkring. Helene Åhsberg (TS) Kommentar

Komplettering om kapselintegritet

Kopparkorrosion, fortsatt replik

Sammanfattning till Extremregn i nuvarande och framtida klimat

Lösligheten av natriumklorid i vatten

Begäran om komplettering av ansökan om slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall - kapselns mekaniska integritet

Svar till SSM på begäran om komplettering avseende degraderingsprocesser för kapseln

Mål och normer: Kvalitetskrav på ytvatten

Yttrande och komplettering KBS-3 tillåtlighet och tillstånd

Säkerhetsanalys för projektering, konstruktion och deponering

Bortledande av grundvatten i samband med uppförande av Clink

Vattenflöde genom 2BMA - känslighet för parametrisering av bergets egenskaper

Inverkan av balkonginglasning

Variation av infiltration och fosforförluster i två typområden på jordbruksmark engångsundersökning (dnr Mm)

Minican resultatöversikt juni 2011

Bilaga 3. Korrespondens maj juni 2009 mellan MKG och kärnavfallsbolaget SKB rörande bolagets kopparkorrosionsforskning

92 Svar på domstolens frågor 4 och 5 (a, b) från 2 oktober

Varför? Litteraturstudie om slameldning i rostpanna (WR 37)

Vad händer i kopparkorrosionsfrågan?

GJUTNING AV VÄGG PÅ PLATTA

HYDROIMPACTS 2.0 Föroreningstransporten i den omättade markzonen. Magnus Persson. Magnus Persson, Lund University, Sweden

Begäran om komplettering av ansökan om slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall Klimat

SKB:s replik på synpunkter från MKG m fl om lokalisering av Kärnbränsleförvaret

Härmed översändes svar på frågorna nedan. Frågan om Clink har besvarats tidigare.

Projektet Strukturutveckling och fuktbindning i cementbundna material där delar av Portlandcementet ersatts med flygaska.

Ansökan om tillstånd enligt kärntekniklagen komplettering juli 2016

Svar till SSM på begäran om förtydligande rörande krypdeformation för kapseln

PATENTBESVÄRSRÄTTENS DOM

Del A TEORI (max 40 p) OBS! Del A inlämnas innan Del B uthämtas.

Slamspridning på åkermark

Ämne: Kritiska synpunkter på SKBs koncept KBS3(V) för slutförvaring av använt reaktorbränsle

Bestämning av vattenkvot och/eller vattenhalt

Deltagare: Christina Lilja (SKB) Peter Wikberg (SKB) Jan Linder (SSM) Josefin Päiviö Jonsson (SSM) Bo Strömberg (SSM)

Fysikaliska orsaker till dräneringsbehov i jordbruket. Ingrid Wesström

SKB:s syn på behov av samordning av SKB:s mål hos mark- och miljödomstolen

Två presentationer, 29/

Projektet. Strukturutveckling och fuktbindning i cementbundna material där delar av Portlandcementet ersatts med flygaska. Doktorand: Handledare:

KvRenen i Varberg. Bakgrund och lägesrapport från huvudstudie

Kritiska frågeställningar beträffande korrosion och säkerhet vid slutförvar av radioaktivt avfall i kopparkapslar

Samråd med temat: Avgränsning, innehåll och utformning av MKB för inkapslingsanläggningen och slutförvaret

Jämförelser av beräknade haltintervall som funktion av djup i berget med koncentrationer som uppmätts under platsundersökningarna

Fuktmätning i betonggolv med pågjutningar

Översiktlig struktur av MKB-dokumentet för slutförvarssystemet

Om författaren. Stefan Hylén är huvudansvarig för Örkelljunga Utbildningscentrums lokala golfgymnasium i samarbete med Woodlands golfanläggning.

Hans-Erik Gram Björn Lagerblad Hans-Erik Gram

Kärnavfallsrådets granskning av Fud-program 2007

Bilaga 1. Materialundersökning och redovisning av undersökningsresultat. K:\81_2\810582\Rapport\SBUF-rapport\Bilagor\Bilaga 1.doc

SSM:s synpunkter på Fud-program 2007

Granskning SR-Can: En första avrapportering av läget maj-07

RAPPORT OM TILLSTÅNDET I JÄRLASJÖN. sammanställning av data från provtagningar Foto: Hasse Saxinger

VIP- möte 2015 Branschsamverkan I Grunden

Version OPM Monteringsanvisning för fuktskyddsisolering

Inhibitorer Kylvattenkonferens Solna 3/5 2017

1995 ISO/IEC Datum Kundnr

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

92 Svar på domstolens fråga 4 och 5 från 13 oktober

FÖRSVARSSTANDARD FÖRSVARETS MATERIELVERK 2 1 (8) MILJÖPROVNING AV AMMUNITION. Provning i fukt, metod A och B ORIENTERING

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Begäran om komplettering av ansökan om utökad verksamhet vid SFR angående konsekvensanalys

DokumentID Författare Lars Birgersson Kvalitetssäkrad av. Version 1.0. Allan Hedin Godkänd av Helene Åhsberg

Svar till SSM på begäran om komplettering rörande tillverkningsaspekter för ingående delar i kapseln

Markförsurning utveckling och status

Yttrande SKB FUD program 2010

Transkript:

4.2 Analys av i vilken mån en långsam återmättnad kan förvärra försämringar av buffertens materialegenskaper pga. kemiska och strukturella omvandlingar i förhållande till ett fall med snabb återmättnad Tillgängliga observationer och pågående studier Ola Karnland Martin Birgersson Ann Dueck Clay Technology November 2013 1

Innehåll Bakgrund... 3 SKBs nuvarande forskning... 3 Från SKB fristående publikationer med relevanta undersökningar... 6 Sammanfattning av studier med relevans på långsam vattenmättnad av bufferten... 8 Referenser... 8 2

Bakgrund Bentoniten i bufferten består av lermineralet montmorillonit samt en mindre andel vanligt förekommande mineral som kvarts, fältspat, gips etc. De tätande egenskaperna hos bentoniten är i allt väsentligt kopplade till montmorilloniten, huvudsakligen genom interaktion mellan montmorillonitens motjoner och vatten. Vanliga motjoner i naturlig bentonit är framförallt Ca 2+, samt Na +. Vid högt vatteninnehåll (låg materialdensitet) påverkas tätningsegenskaperna av vilken motjon som dominerar, medan tätningsegenskaperna är likartade vid lågt vatteninnehåll (hög materialdensitet). Buffertdensiteten är därför planerad att vara tillräckligt hög för att de tätande egenskaperna ska vara oberoende av vilken motjon som dominerar (Karnland 2010). Generella studier av bentonitomvandling i olika sammanhang, t.ex. allmän sedimentologi och oljeprospektering har pågått under lång tid och en omfattande allmän kunskap finns beskriven i litteraturen. En sammanfattning av kunskapsläget med avseende på bufferten i ett KBS-3 förvar redovisas i Karnland och Birgersson (2006). SKB har i samarbete med Nagra och Posiva därefter genomfört ytterligare undersökningar, och arbetet med en uppdaterad sammanställning av kunskapsläget pågår. Förhållanden som rör full vattenmättnad av bentonitmaterial har kraftigt dominerat de allmänna forskningsinsatserna, eftersom detta är det vanligt förekommande tillståndet i naturliga system. Även specialiserade studier för ett slutförvar har huvudsakligen berört vattenmättad buffert. Ett fåtal studier som specifikt rör strukturell och/eller mineralogisk omvandling av bentonit under omättade förhållanden har emellertid genomförts, och några studier har även berört de speciella förhållanden som kan komma att råda i ett slutförvar. Långsam vattenmättnad medför i allmänhet att transienta förhållanden och gradienter upprätthålls under en längre tid än vad som är fallet vid en snabb vattenmättnad. Även kvalitativa skillnader kan uppstå vid långsam vattenmättnad, t.ex. om intransporten och därmed fördelningen av vatten i bufferten och tunnelåterfyllnadsmaterialet är snabbare än tillförseln av vatten från berget, vilket då i vissa avseenden leder till mindre uttalade gradienter. Förhållandena kan tänkas påverka buffertegenskaperna i negativ riktning och bland annat har ångpåverkan, bakterieaktivitet, transport och anrikning av lösta specier diskuterats och undersökts i både laboratorieförsök och fältförsök. SKBs nuvarande forskning SKBs nuvarande forskning som helt eller delvis rör långtidseffekter av långsam vattenmättnad innefattas huvudsakligen i det följande. 3

Pebsprojektet (EU-projekt, www.pebs-eu.de ) Projektet innefattar laboratorieförsök med fokus på förändringar i bentonitmaterial med avseende på fysikaliska egenskaper som skjuvhållfasthet, töjning vid skjuvning, svälltryck och hydraulisk konduktivitet som följd av kortvarig exponering i förhöjd temperatur (upp till 150 C) med varierande mineralsammansättning. Försöksserien innefattar därmed också olika motjoner i bentoniten. Försöken är avslutade och rapportering pågår. Preliminära resultat som är relevanta för långsam vattenmättnad kan sammanfattas i följande punkter. Tendens till förhöjd skjuvhållfasthet har uppmätts efter kortvarig hydrotermal behandling under mättade förhållanden. I prov som hydrotermalbehandlats utan vattentryck var effekterna likartade eller mindre uttalade. Signifikanta förändringar av töjningen vid brottlast som följd av kortvarig hydrotermal behandling vid mättade förhållanden. I prov som hydrotermalbehandlats utan vattentryck var effekterna likartade eller mindre uttalade. Oförändrade svälltryck som följd av kortvarig hydrotermalbehandling oberoende av vattentryck eller inte. Oförändrad hydraulisk konduktivitet som följd av kortvarig hydrotermalbehandling oberoende av vattentryck eller inte. Något förlängd vattenmättnadstid för omättade prov som utsatts för hydrotermalbehandling. Signifikant minskad skjuvhållfasthet i gamla sprickplan/skjuvplan även efter vattenupptag till full vattenmättnad. En övergripande slutsats är att effekterna på skjuvnings och tätande egenskaper som följd av temperaturpåverkan är likvärdiga, eller mindre uttalade, i prov som hydrotermalbehandlats utan vattentryck i jämförelse med prov som varit helt vattenmättade. Bastuprojektet Projektet innefattade laboratorieförsök med bentonitpellets i temperatur- och/eller relativ fuktighetsgradienter. Syftet var att kvalitativt, och i viss mån även kvantitativt, studera vattenupptag och tätningsförmågan hos en pelletsfyllning. Försöken visade att ånga kondenserade under samtliga undersökta förhållanden, och att vattenupptag från kondenserat vatten totalt dominerade över vattenupptag direkt från ånga. I samtliga försök startade kondensationen i en punkt från vilken allt ytterligare upptag av vatten skedde genom kondensation längs kanterna av det fuktiga området. Samtliga tester visade att vattenupptaget minskade med tiden, vilket indikerar att pelletssystemet tätade och att ångtransporten minskade med tiden. Försöken är avslutade och en rapport finns för granskning (Birgersson and Goudarzi 2013 (publiceras i januari 2014)). 4

Montmorillonitstabilitetsprojektet De torra förhållandena i Forsmark gör att det är intressant att studera montmorillonitomvandling under omättade förhållanden. Couture (1985) rapporterade att bentonit som utsatts för upphettad vattenånga tappade en stor del av sin svällförmåga. Däremot identifierades inga mineralogiska förändringar. Därför genomförs temperaturförsök med montmorillonit som har varierande vatten-mättnadsgrad för att avgöra om vattenånga har någon speciell inverkan på svällningsegenskaperna. Om så är fallet kommer inverkan att kvantifieras för olika exponeringstider och temperaturer. Vidare innefattar arbetet försök att identifiera mekanismen bakom en sådan ångpåverkan. En del av projektet innefattar försöksserier med material som kortvarigt (7 dygn) exponerats för temperaturer på upp till 200 C vid olika vattenmättnadsgrader. Försöksserierna innefattar tio olika bentoniter, vilka representerar olika brytningsplatser och därmed leverantörer, samt olika motjonssammansättningar. Även försök med fyra olika renade montmorilloniter som helt jonbytts till kalcium, natrium respektive kalium har genomförts. Vattenmättnadsgraden har styrts enligt två principer; dels passivt via tillförd mängd vatten i ett slutet system, dels via extern kontroll av vattenaktiviteten. Resultaten visar inga tydliga skillnader som följd av hydrotermalbehandlingen mellan omättade och vattenmättade prov med avseende på svällningskapaciteten (Figur 1). Däremot finns signifikanta skillnader i sedimentationsbeteende hos bentoniter/montmorilloniter som innehåller kalcium som motjon, sannolikt som följd av strukturella förändringar. Vidare finns stora förväntade skillnader mellan prov som domineras av natrium som motjon och prov som domineras av kalcium. Generellt sett är skillnader i uppmätta svällningsegenskaper som följd av hydrotermalbehandling försumbara i jämförelse med skillnaderna mellan natriumdominerade och kalciumdominerade material. Effekterna av kortvarig ångpåverkan på fri svällning bedöms därför inte vara något problem för ett KBS-3 förvar. Laboratorieförsöken är avslutade och rapportering pågår. 5

Figur 1. Resultat från försök med fri svällning. Samtliga provrör innehåller 1,00 gram material som svällt till maximal volym. MX-80 bentonit var utgångsmaterial för samtliga prov som för vissa försök renats och jonbytts till natrium- (WyNa) respektive kalciumform (WyCa). R indikerar referensmaterial, T indikerar material hydrotermalbehandlat vid full vattenmättnad, och T,v indikerar material hydrotermalbehandlat i omättat tillstånd. Från SKB fristående publikationer med relevanta undersökningar Vid sidan av SKBs studier av förhållanden som är relevanta för långsam vattenmättnad av bufferten i ett KBS-3 förvar finns följande publikationer med relevanta undersökningar. Artikel av Couture Couture (1985) utsatte ett antal bentoniter för en kortvarig hydrotermalbehandling, och mätte därefter hydrotermalbehandlingen hade stor betydelse för den efterföljande utsvällningen (Figur 2). Helt torra prov (w = 0) och prov med mycket hög vattenkvot (w = 20) påverkades mindre än prov med medelhög vattenkvot (w = 0,08 till w = 1,14). Exponering av prov med en vattenkvot på 0,15 vid 150 C under 7 dagar minskade den maximala volymen till under 50 % av utsvällningen hos referensmaterial. Vid 250 C minskade svällkapaciteten till drygt 10 %. Couture drog slutsatsen att de uppmätta förändringarna i bentonitens egenskaper har betydelse för tätningsförmågan, och att effekten måste beaktas i en säkerhetsanalys. Begränsade mineralogiska undersökningar genomfördes på hydrotermalt behandlat material, men inga kemisk/mineralogiska förändringar kunde identifieras i förhållande till obehandlat referensmaterial. I samtliga undersökta fall svällde bentoniten till avsevärt högre vattenkvoter än vad som är nödvändigt för funktionen i ett KBS-3 förvar. Den mest extrema reduktionen av svällförmågan (4 6 PDF rendering: DokumentID 1415886, Version 1.0, Status Godkänt, Sekretessklass Öppen volymen vid maximal utsvällning. Resultaten visade att vattenkvoten (massa vatten/massa bentonit) vid

cm 3 /gram lera) motsvarar en vattenkvot på 3,64, vilket kan jämföras med den lägsta nominella vattenkvoten (w = 0,31) i bufferten i ett KBS-3 förvar. Den uppmätta reduktionen av maximal utsvällning även vid så hög temperatur som 250 C bedöms därför sakna betydelse för bufferten i ett KBS-3 förvar. Svällkapacitet, cm 3 /g lera 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Figur 2. Svällkapacitet hos hydrotermalbehandlat material från Couture (1985). Etiketterna anger lertyp, vattenkvot och temperatur vid hydrotermalbehandlingen. Teknisk rapport av Haas et al. (1999) Studien omfattade geotekniska och mineralogiska undersökningar av de två bentonitmaterialen Montigel (Ca 2+ -dominerat) och MX-80 (Na + -dominerat) som utsatts för olika former av ångbehandling. Cyklisk ångbehandling av montigel-bentoniten ledde till en reduktion av svälltrycket med som mest 50 % av uppmätt tryck för obehandlat material. Svälltrycket återställdes emellertid efter ultraljudsbehandling, torkning och malning, och i vissa fall uppmättes även högre tryck än för referensmaterialet. Krympförsök, flytgränsförsök, sedimentationsförsök samt vattenadsorptionsförsök med ångbehandlat material uppvisade inga eller obetydliga förändringar i förhållande till referensmaterial. De mineralogiska undersökningarna omfattade katjonbyteskapacitet, basplansavstånd (XRD) samt BET-yta. Samtliga undersökningar visade små eller obetydliga skillnader i förhållande till referensmaterial oberoende av temperatur och exponeringstid. Artikel av Oscarson och Dixon (1990) Studien innefattade försök med bentonit vid olika vattenmättnadsgrad (0, 50, 85 och 100 %) som utsattes för temperaturer på upp till 150 C. Efter hydrotermalbehandlingen vattenmättades proven och svälltryck och hydraulisk konduktivitet bestämdes både vid förhöjd temperatur och vid rumstemperatur. Inte i något fall uppmättes någon signifikant förändring i egenskaperna i jämförelse med referensmaterial. Morfologiska och mineralogiska analyser med hjälp av svepelektronmikroskopi och röntgendiffraktion 7

genomfördes, och katjonbyteskapaciteten bestämdes. Inga förändringar i förhållande till referensmaterial kunde emellertid detekteras. Sammanfattning av studier med relevans på långsam vattenmättnad av bufferten I det ovan beskrivna undersökningsmaterialet finns indikationer på strukturella förändringar, som följd av korttidsexponering av viss hydrotermal behandling, speciellt då kalcium är den dominerande motjonen, vilket tycks kunna påverka svällnings- alternativt sedimentationsegenskaperna hos bentoniten. Det finns emellertid ingenting i ovan beskrivna undersökningsmaterial som tyder på mineralogiska förändringar hos montmorilloniten som följd av kortvarig exponering för torra eller halvtorra förhållanden vid temperaturer på upp till 250 C. Transportkapaciteten av lösta specier är generellt sett lägre vid lågt vatteninnehåll, vilket därmed kan förväntas reducera omfattningen av de flesta kända omvandlingsprocesserna under omättade förhållanden. Specifika processer, som inte studerats i ovan beskrivna försöksserier, som följd av gradienter i temperatur, vattenhalt och salthalt kan emellertid tänkas ge upphov till transport i delvis mättad bentonitbuffert, vilket därmed kan leda till utfällningar. Ojämn fördelning i bufferten av klorid från grundvattnet, och omfördelning av relativt lättlösliga sekundära mineral i bufferten, t ex gips, har observerats i fältförsök där en kraftig temperatur- och/eller vattenmättnadsgradient förekommit, t ex i LOT-försöken (Muurinen 2003, Karnland 2011). De omfördelade mineralens relativa lättlöslighet innebär att reaktionerna i allmänhet är reversibla, och att eventuella utfällda mineral kommer att lösas upp och koncentrationerna utjämnas när vattenmättnaden ökar. Sådana utfällningar förväntas därför inte påverka buffertens långtidsfunktion. Referenser Birgersson M, Goudarzi R, 2013. Studies of vapor transport from buffer to tunnel backfill ( sauna effects). SKB R-13-42, Svensk Kärnbränslehantering AB. Couture R A, 1985. Steam rapidly reduces the swelling capacity of bentonite. Nature 318, 50 52. Haas R, Teysseire P, Bucher F, 1999. Einfluss von Wasserdampf auf Quellpotential von Bentonit. Nagra Report NAB 99-31, Nagra, Switzerland. Karnland O, 2010. Chemical and mineralogical characterization of the bentonite buffer for the acceptance control procedure in a KBS-3 repository. SKB TR-10-60, Svensk Kärnbränslehantering AB. Karnland O, 2011. Long term test of buffer material at the Äspö HRL, LOT project. Final report on the A0 test parcel. SKB TR-09-31, Svensk Kärnbränslehantering AB. 8

Karnland O, Birgersson M, 2006. Montmorillonite stability. With special respect to KBS-3 conditions. SKB TR-06-11, Svensk Kärnbränslehantering AB. Muurinen A, 2003. Chemical conditions in the A0 parcel of the long-term test of buffer material in Äspö (LOT). Posiva Working Report 2003-32, Posiva Oy, Finland. Oscarson D W, Dixon D A, 1990. The effect of heating unsaturated bentonite on the swelling and hydraulic properties of subsequently saturated clay. Proceedings of the Annual Conference and 1st Biennial. Environmental Speciality Conference of the Canadian Society of Civil Engineering, Hamilton, Ontario, Volume 11-1, 312 323. 9