Einfluss von akzessorischen Mineralen auf die Stabilität von kompaktiertem Bentonit in Kontakt mit einer künstlichen Kluft im Vergleich zum i-BET Experiment des Grimsel Felslabors (GTS, Schweiz)

Bentonit wird als geotechnisches Barriere- oder Rückfüllmaterial in Tiefenlagern für radioaktives Material in kristallinen Wirtsgesteinen verwendet. In Kontakt mit Grundwasser kann es durch Erosion zum Austrag von Tonmineral-Kolloiden kommen. Deshalb spielt ein detailliertes mechanistisches Verständnis über die Transport- und Freisetzungsmechanismen eine wichtige Rolle in Bezug auf die Langzeitstabilität der geotechnischen Barriere, sowie ihrem Einfluss auf die Radionuklid-Mobilität.

Im Zuge des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten KOLLORADO-e³ Projekts werden deshalb u. A. Erosionsexperimente mit kompaktiertem Bentonit im Labor durchgeführt. Als Ergänzung zu bereits publizierten Experimenten und Modellen [1-3] wurden hierfür kompaktierte Bentonitpellets in künstliche planare Klüfte (Apertur 1 mm) eingebaut, welche dann mit einer konstanten Fließrate von natürlichem oder modifizierten Grundwasser (GGW) aus dem Schweizer Felslabor Grimsel (GTS) umflossen werden. Der Einfluss von künstlich beigefügten akzessorischen Mineralen (Quarz, Gips, Anhydrit) in unterschiedlichen Gemengteilen (bis zu 20%) wurde dabei hinsichtlich des räumlichen Quell- und Druckverhaltens, sowie der Kolloidentstehung an Na⁺ homoionisierten MX‑80 [4] Montmorillonit Proben untersucht. Diese wurden dann mit identischen Experimenten verglichen, in welchen natürlicher MX-80 und GMZ [5] Bentonit zum Einsatz kam. Zusätzlich wurden mobilisierte Kolloide hinsichtlich ihrer Größe und Konzentration charakterisiert, ihre Erosionsmassen quantifiziert und Veränderungen im hydrochemischen Milieu untersucht. Die Laborergebnisse anschließend mit den langzeitlichen und großskaligen GTS-Daten des im CFM - iBET Experiment eingesetzten Bara-Kade Bentonits verglichen, welcher mit dem MX-80 Bentonit gleichzusetzen ist. Obwohl sich die Probennahmen beider Experimente unterscheiden; direkter Ausfluss des geschlossenen Systems im Labor und Dispersion im realen System im iBET Experiment, können die Versuche dennoch als Analoga betrachtet werden.

Durch den Einsatz der Nanopartikel-Tracking-Analyse konnten dabei vergleichbare Erosionskonzentrationen für die im Labor- und dem iBET Experiment verwendeten natürlichen Proben festgestellt werden (ca. 1 mg/l). Beim Einsatz von natürlichem GGW in Kombination mit Na⁺ Montmorillonit Proben wurden jedoch eine starke Erosion des Materials mit Kolloidkonzentrationen von bis zu 1000 mg/l gemessen. Auch ein ausgeprägter Einfluss auf das hydro-chemische Milieu, konnte besonders in Bezug auf die austauschbaren Oberflächen-Kationen nachgewiesen werden. Es konnte kein erosions-reduzierender Effekt des beigefügten akzessorischen Quarzes beobachtet werden. Im Gegensatz dazu konnte ein deutlich weniger erosionsanfälliges System durch die künstliche Erhöhung der Ca-Konzentration, oberhalb der kritische Koagulationskonzentration (CCC) von Montmorillonit [6], im GGW erzeugt werden, welches wiederum zu Erosionskonzentrationen von < 1 mg/l führte.