Концепция хранения радиоактивных отходов в геологических формациях предполагает наличие большого количества бетона, что позволит соприкасаться с глинистым материалом инженерных барьеров, а также с геологической формацией. Глиняные и цементные среды имеют очень контрастные химические вещества, которые взаимодействуют и приводят к деградации обоих типов материалов. Цель настоящего обзора заключается в составлении исчерпывающего перечня лабораторных экспериментов для выявления реакций последовательности в эволюции как глинистых минералов, так и сопутствующих минералов при их изменении в щелочном слое окружающей среды.
Вполне вероятно, что для глубокого хранения радиоактивных отходов будут широко использоваться гидравлические вяжущие вещества, бетон, используемый в качестве вспомогательного материала для подъездных галерей и отдельных ячеек для хранения, а также защитной оболочки материалов для низко- и среднеактивных отходов. Эти цементные материалы будут соприкасаться с геологическими материалами. Из-за их очень агрессивного характера, они будут химически нарушать и то, и другое. Бетон эволюционируют, как только он насыщен паровой водой из геологической формации, начальный уровень pH которой близок к уровню pH нейтральным. Это насыщение произойдет после того, как ячейки хранения будут опечатаны. Если используются коммерческие материалы, то в случае использования при разложении бетона сначала образуется вода с высоким содержанием ионов К, Na, Ca (pH >13). Этот первый период последует в течение которого pH будет доминировать равновесие с портландитом, Ca(OH)2, (pH = 12.4) и, наконец, равновесием с минералами типа CSH (pH ≥ 10). Эта последовательность состояний разложения бетона может быть изменена с помощью специального бетона типа "низкий pH", которые уменьшит дестабилизирующее воздействие на глины.
Геохимия, минералогия и текстура глиняного барьера будут изменены вблизи границы раздела бетон/глина. Потому что при разложении бетона образуется диффузионный щелочной шлейф предполагает наличие следующих грубых нарушений для первоначального определения размеров взаимодействия монтмориллонит-бетон. Если мы возьмем реакции растворения монтмориллонита в щелочной среде: растворение одного крота монтмориллонита потребляет 4,68 кролика OH-, 1 m3 бетона (OPC + неактивный заполнитель) производит 8000 молей OH- и найдено 1500 ролей монтмориллонита в 1 м3. из барьера (Кунигель V1 70% + песок 30%; плотность сухого вещества 1,6 г/см3); прием молярного объема 220 см3. Поэтому монтмориллонит дает 4500 моль/м3 в минералогически чистом барьере без пористости. Эти цифры показывают, что примерно 1 м3 монтмориллонита требуется для буфера 1 м3 бетона. На самом деле, более сложным, поскольку растворение вспомогательных фаз барьера и выпадение осадков во вторичных фазах также изменит уровень pH. Например, для выпадения осадков тоберморита требуется 4 моли OH- на крота осажденный, в то время как осадки анальцима высвобождают 2 родинки ОН на каждого крота. Наконец-то карбонатизация бетона является хорошо известным явлением, которое играет важную буферную роль в отношении щелочных нарушении. В осадочных породах парциальное давление CO2 (pCO2) может составлять от 10 до 100 %, в разы больше, чем атмосферный pCO2 при 25 °C. Поэтому имея дело со сложной и эволюционной системой, первоначальное состояние которой мы должны знать в деталях чей путь реакции, принимая во внимание градиенты pH и концентрации элементов, приводит к различиям минералам.
Научное сообщество использовало несколько инструментов для решения этой проблемы:
- лабораторные эксперименты, чтобы понять пути реакции и получить термодинамические и кинетические результаты константы;
- характеристика искусственных и природных аналогов взаимодействия цемента и горных пород для описания явлений в пространственно-временных терминах;
- численное моделирование щелочных возмущений для моделирования экспериментов и определения прогностических параметров подхода.
Минералы и пути реакции, участвующие в щелочном возмущении.
Глиняные барьеры будут состоять в основном из набухающих глин смектитового типа. Так как эти глины являются природными материалами, они будут включать в себя дополнительные минералы, которые являются глинами (иллит(ы), каолит(ы), хлорит(ы)) и неглинистые (кварц), кристобалит, полевой шпат, слюда, карбонат, сульфат, сульфид (сульфид). Эти минералы будут иметь разную стабильность в щелочных условиях и реагируют на различные кинетики растворения. Ионы, высвобожденные растворы будут частично "повторно использоваться" в формировании новых, более стабильных, минеральных фаз. Глины с большей реакционной поверхностью также будут подвержены сорбционным реакциям, которые изменят химический состав глиняной поры. Таким образом, можно ожидать следующих реакций:
- изменение адсорбированных популяций катионов. Глина, которая может быть изначально содовой, становится больше калия и кальция, учитывая большее сродство этих катионов к глине и наличие высоких K и Ca в щелочной жидкости. Эта эволюция зависит от соотношений Na/K и Na/Ca в щелочной жидкости в щелочном флюиде в функция цемента. Осадки малорастворимых магнезиальных фаз вызывают десорбцию Mg закрепляется на глинах по закону о массовых беспорядках. Следует отметить, что силанол и алюмолин глины краевые функциональные группы ионизируются в щелочной среде и могут участвовать в реакциях адсорбции.
- растворение глин (смектитов, иллитов, смешанных пластовых глин, каолита). Эти глины полностью исчезают рядом с границей раздела цемент/глина. Это растворение имеет значительный буферный эффект, ограничивающий повышение pH в пределах барьера;
- растворение сопутствующих минералов (кварца, хрустобалита, аморфного стекла, полевых шпатов, плагиоклазов, микрофон, доломит). Дополнительные минералы не должны игнорироваться, так как они могут иметь важное значение. Роль буфера по отношению к pH. Их распад освобождает элементы, которые способствуют выпадению определенных осадков фазы (цеолиты, CSH, CSAH);
- важную роль pCO2 в установлении химических условий. Этот параметр может быть исправлен внутренним равновесием с минералогией или внешне диффузионным потоком из геологической среды. Важно, чтобы этот фактор принимался во внимание при оценке хода разработки зоны с высоким содержанием H, потому что CO2(g) является кислым газом. Следует отметить, что pCO2 осадочных пород составляет обычно высокий (логпКО2 > -2 бар) и что он превышает атмосферный pCO2 на два порядка величины.
- распределение неогенных минералов (цементные фазы, цеолиты, карбонаты, глины, силикаты) по назначению расстояния от границы раздела бетон/бентонит и, следовательно, влияет на градиент pH.
Кинетика растворения монтмориллонита в щелочной среде
Температура и рН - два фактора, ускоряющих растворение монтмориллонита. Было обнаружено первый перегиб ускорения около pH 11 и второе перегиб ускорения с очень большим крутизной наклона около pH 13.0-13.4. Скорость растворения глины FoCa (интерстратированный каолит/смектит) между pH 7 и pH 12.2. Это интерпретация сильного увеличения скорости растворения смектитов с наиболее щелочным pH (>13), которые обнаружили довольно пологий эволюционный склон с помощью газоанализатора наивысшго pH.
Содержание Si является ингибитором растворения. Как единое целое приближается к равновесию со смектитом, скорость растворения достигает наименьших значений. Это важный результат для изучения глинистых барьеров, где из-за очень низкой пористости соотношение воды и глины способствует быстрому уравновешиванию. Работы с использованием уплотненных глин наиболее близки к фактическим барьерным условиям в своем подходе.
