Willis Forslings presentation

Fungerar de tekniskaskyddsbarriärerna i slutförvaret?Seminarium med fokus på de tekniskabarriärernas långsiktiga funktionÖsthammar 5 april 2011Willis ForslingProf. emeritus i Oorganisk kemi, LTULedamot i Kärnavfallsrådet2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 1KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Vad är Kärnavfallsrådet?Vetenskaplig kommitté under miljödepartementetRådgivare till regeringen i frågor rörande förvaring av kärnavfallVerkar för öppenhet och transparens samt stimulerar till diskussionerom kärnavfall. Vi arrangerar seminarier och utfrågningar om angelägnaämnen med koppling till förvaring av kärnavfallAktiviteter, ställningstaganden och mötesprotokoll redovisas i form avskriftliga rapporter och nyhetsblad som kan hämtas på vår hemsidawww.karnafallsradet.se2010-02-11 www.karnavfallsradet.se 2KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Vem är Willis Forsling?Professor emeritus i oorganisk kemi vid Luleå tekniska universitet.Forskningsinriktning: studier av kemiska reaktioner i suspensioner avmineralpartiklar i vatten. Jämvikter, speciering och modellering.Ledamot i rådet sedan 1998, medverkat i kunskapslägesrapporter ochFud-granskningar 2001, 2004, 2007, 2010 och 2011.Disputerade 1978 i Oorg. kemi vid Umeå UniversitetChef för Materialutveckling vid RIFA, Gränna och lektor vid Gränna internatgymnasium 1980-85Univ. lektor vid Tekniska Högskolan i Luleå 1985-90Prof. i Oorganisk kemi vid Luleå tekniska universitet 1991-2007Prof. emeritus i Oorg. kemi vid Luleå tekniska universitet 2007 -» Forskningsgrupp Ytkemi» Potentiometrisk titreringForskningsprojekt » Järnoxiders växelverkan med olivin och dolomit>200 vetenskapliga publikationer (lösningskemi, ytkemi, spektroskopi mm) ochuppdrag som granskare för mer än 30 olika vetenskapliga tidskrifter2010-02-11 www.karnavfallsradet.se 3KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Myndighetens föreskrifter om barriärernaStrålsäkerhetsmyndighetens föreskrifter om säkerhet vidslutförvaring av kärnämne och kärnavfall;SSMFS 2008:21Barriärer och dess funktioner2 § Säkerheten efter förslutning av ett slutförvar ska upprätthållasgenom ett system av passiva barriärer.3 § Varje barriär ska ha till funktion att på ett eller flera sättmedverka till att innesluta, förhindra eller fördröja spridning avradioaktiva ämnen, antingen direkt, eller indirekt genom att skyddaandra barriärer i barriärsystemet2010-02-11 www.karnavfallsradet.se 4KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

De tekniska barriärerna består av:I SFR inom LOMA-programmet: Betongsilos ochbentonitbuffert mmI slutförvar för använt kärnbränsle: kopparkapsel,bentonitbuffert, bentonitpellets, pluggar av låg pH cement,återfyllning med bentonitblock, krossat bergmaterial mm2010-02-11 www.karnavfallsradet.se 5KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Specifika förutsättningar i slutförvaret avanvänt kärnbränsle• Funktionstiden är extremt lång (> 100 000 år)• Temperaturen varierar beroende på globala variationer• Det finns en temperaturgradient mellan kopparkapsel (~90⁰C) och omgivande berg (~10 ⁰C) som gradvis minskar underc:a 1000 år• Grundvatten från omgivande berg sugs in i och vattenmättarbentonitbufferten under >200 år• Initialtillståndet förutsätter att bufferten är vattenmättad upp tillen specifik densitet• Miljön ändras från oxiderande (oxisk) till reducerande(anoxisk) under en tidsperiod (5-100 år) efter förslutningengenom att syret förbrukas.2011-04-05www.karnavfallsradet.se 6KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Slutförvar enligt KBS 3-metodenKapsel (något om samverkanmellan kapsel och buffert)Buffert (buffert och återfyllningsom kopparkapselns beskyddare)Återfyllning och förslutning1. Insats av järn2. Kopparkapsel3. Kärnbränsle (pellets)4. Bentonitbuffert5. Omgivande berg2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 7KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Kopparkapseln är den enda helt tätatekniska barriären i förvaretKopparkapseln måsteskyddas från kemiska ochmekaniska angrepp pålång sikt genom buffertoch återfyllningKapseln är kungenoch får inte sättas matt!2011-042-11 www.karnavfallsradet.se 8KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Processer på kopparkapseln• Kopparkapseln har en relativt hög temperatur (>90⁰ C) under långtid vilket gör ytan mer reaktiv• Kopparkapsels yta är delvis täckt av kopparoxider vidförslutningen som gradvis omvandlas till kopparsulfider när miljönblir anoxisk• Ett ökat svälltryck från bentoniten och ojämn vattenmättning kanorsaka spänningskorrosion och gropfrätning på kapseln.• Radioaktiv strålning från bränslet kan påverka egenskaperna hosomgivande koppar och gjutjärn.• En skada på kapseln leder till galvanisk korrosion av järnet varvidvätgas bildas och trycket i kapseln ökar2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 9KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Tekniska barriärer i funktion2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 10KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Jämviktstrycket väte är kritiskt ianoxisk miljöAnoxisk miljö:Cu(s) + H 2 O CuOH? + ½H 2 (g) (1)p H2 = 1 mbarG.Hultqvist, P. Szakalos m.fl.2Cu(s) + H 2 O Cu 2 O + H 2 (g) (2)p H2 extremt lågt2Cu(s) + H 2 S(aq) Cu 2 S(s) + H 2 (g) (3)Oxisk miljö:2Cu(s) + ½ O 2 (g) Cu 2 O(s) (4)SKB m.fl.2011-04-05KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Korrosion av koppar i syrefritt vattenCu Cu+ +e-H+ +e- H2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 12KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Alteration of uraniferous and native copper concretions in the Permianmudrocks of south Devon, United KingdomA E Milodowski, M T Styles, M S A Horstwood and S J Kemp British GeologicalSurvey, Keyworth, NottinghamThis sample (BS5, Table 1) was collected during the fieldwork in September 2000 (Section 3). Itwas found on the surface of a mudflow or talus deposit as a loose fragment, and not in situ in thehost rock. Sample is approximately 40 mm in diameter and 5 mm thick (Plate 27).2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 13KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Fynd av metallisk koppar i HyrkkölaThe presence of native copper and copper sulfide withinopen fractures in the near-surface (8.3 m depth) impliesthe existence of reducing conditions, which are alsopredicted to prevail between 300 and 800 m depth ingranitic bedrock. This finding allowed the study ofnative copper corrosion process in anoxic conditions.. The true composition of native copper is estimated to be about 99.99% Cu.Ur Avhandling från Helsingfors2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 14KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Bentonitbuffertens uppgifter(tidsperspektiv > 100 000 år)• Hålla kopparkapseln på plats i mitten av borrhålet - förhindradirektkontakt med omgivande berg• Leda bort det inneslutna bränslets återstående värmeenergisom frigörs vid radioaktivt sönderfall• Förhindra/försvåra transport av radioaktiva ämnen och kolloider• Hindra grundvatten som ofta innehåller korrosiva ämnen attflöda till kopparkapseln• Upprätthålla mycket låg hydraulisk konduktivitet - endast tillåtatransport genom diffusion• Skapa ett svällningstryck som kan tillsluta håligheter i buffertenoch täta mellanrum mot kapsel och berg• Utgöra en fientlig miljö för bakterier• Tillåta ev. korrosionsgaser (t.ex. H 2 ) att diffundera utan skapapermanenta transportvägar och håligheter2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 15KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Bentonitens sammansättningComponent Chemical formula Content (mass %)Clay minerals*montmorillonite** (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·(H2O)n. 65-80illite** (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)] 1.4kaolinite [Si 4]Al 4O 10(OH) 8.n H 2O (n = 0 or 4) < 1Accessory mineralsquartz SiO 210-15feldspar*** (Na,Ca)(Al,Si)Si 2O 85-8calcite CaCO 30.7-1.4gypsum CaSO 4⋅2 H 2O 0.34pyrite FeS 20.3Miscellaneousorganic matter 0.05-0.5sodium chloride NaCl < 0.01unspecified < 12011-04-05KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Montmorillonitens struktur i Na-bentonit2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 17KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Processer i bentonitbufferten• Bufferten vattenmättas och sväller varvid fortsatt transport av vattenminskar radikalt och buffertens densitet ökar• Löst syre förbrukas genom reaktioner med olika föroreningar ibentoniten och miljön blir anoxisk• Korrosiva ämnen och joner i grundvattnet filtreras av buffertengenom adsorption och jonbyte• Vissa mineral i bentoniten upplöses och transporteras vidare innande åter fälls ut – cementering som påverkar buffertens mekaniskaegenskaper• Ev. radionuklider från en skadad kapsel adsorberas och transportentill biosfären fördröjs• Om vattenflödet är högt och om jonstyrkan är låg finns risk förerosion i buffert och återfyllning2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 18KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Transport av positivt och negativt laddade joner2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 19KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Många möjliga mekanismerför sorption av radioaktivaämnen och andra jonerAdsorption av joner via bildning av s.k. yttersfärskomplex.Reaktion med specifika ytplatser ”sites” på mineralpartikeln och bildande av innersfärskomplex.Diffusion genom ytan följt av en isomorf substitutionDiffusion längs med mineralytan och bildning av ytutfällningDiffusion på ytan till en plats (avsats eller ojämnhet) som maximerar antalet bindningar till denadsorberade jonenOm mineralpartikeln växer kan ytutfällningen bäddas in i kristallstrukturenDen adsorberade jonen kan diffundera tillbaka till omgivande lösning antingen som ett resultat avdynamisk jämvikt eller som ett resultat av redox-reaktioner (t.ex. övergång från oxiderande tillreducerande förhållanden)2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 20KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Så här fungerar det: Risk för erosion om jonstyrkan är lågMontmorrilonitMontmorrilonitNa- eller Ca-joner håller ihoppartiklarnaPositiva joner neutraliserar den negativa laddningen på lerpartiklarnas ytor, vilket gör attbentonitens minsta beståndsdelar, extremt små så kallade kolloidala partiklar, attraherastill varandra och bildar större ansamlingar.Dessa ansamlingar hålls så ihop av det omgivande vattnets bindande förmåga.2010-02-11 www.karnavfallsradet.se 21KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Förväntade processer i bufferten i etttidsperspektiv• Vattenmättnadsförloppet (tidsperspektiv 10 – 200 år). Densiteten ökarfrån 1.6 kg/dm 3 till 2.0 kg/dm 3 . Initialtillståndet i säkerhetsanalysen• Omvandling till illit (tidsperspektiv 100 – 100 000 år) som kan leda tillförsämrade egenskaper map svällning och retardationsförmåga. Beror avtemperatur och tillgång på K +• Omvandling från Na- till Ca-montmorillonit (tidsperspektiv 10 - 200 år)leder till sämre retardationsförmåga. Jonbyte Na + Ca 2+• Porvattnets inverkan genom löst CO 2 , O 2 , pH, pe, föroreningar somCaCO 3 , FeS 2 etc (tidsperspektiv 1 – 200 år). Mineraltransport i bentoniten=> cementering• Olika typer av transportmekanismer (tidsperspektiv 1 – 100000 år).Korrosiva joner i grundvattnet och radionuklider• Radionuklider, katjoner resp. anjoner, adsorption, utfällning, jonbyte etc.Transporthastigheter ofta 10 -11 - 10 -12 m 2 /s2008-12-17 www.karnavfallsradet.se 22KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Positiva joner (katjoner) kan adsorberas både som innersfärs- ochyttersfärskomplex beroende på jonens egenskaper dvs. jonstorlek,laddning, hydratiseringsenergi (den energi som frigörs när jonenomges av ett vattenhölje) m.m. En jon som adsorberas som ettytterfärskomplex behåller ofta sitt hölje av vattenmolekyler. Jämfört.ex. kalium- och kalciumjonen i figur 2 och figur 3.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 23KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

KopparkapselnRådets rekommendationermed avseende på1. Tillverkning2. Långtidsegenskaper2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 24KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Kapsel• SKB måste formulera kvalitetskriterier som gällerkapselns alla delar avseende materialstruktur,materialegenskaper och defekter.• SKB behöver göra fortsatta studier av korrosion inomolika områden (spänningskorrosion, korrosion i kloridochsulfidhaltiga vatten med bentonit).• SKB måste fortsätta forskningen om kopparkorrosion isyrefritt vatten.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 25KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Långtidsegenskaper• Undersökningar av kopplingen mellan mikrostruktur ochmekaniska egenskaper för koppar, svetsfogar och insatsen avjärn bör fortsätta.• Krypning måste verifieras för de svetsningar som endastuppfyller minimikrav. (Krypning innebär en deformation somolika material får över tid. Deformationen grundar sig dels påpålagd spänning, dels i termiskt aktiverade atomrörelser. Ettmaterial påverkas alltså även av temperatur).• Ev. deformation genom krypning bör utredas genom finitaelementmetoder.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 26KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Tillverkning• Acceptanskriterier som gäller tillverkning av kapselnsalla delar bör utformas.• Acceptanskriterierna ska verifieras med icke-förstörandetestmetoder och ett kvalitetssäkringssystem förtillverkningen bör utformas.• Mekanismer som kan orsaka svetsdefekter börundersökas.• Konsekvenser av möjliga fel på kapseln ska beskrivas.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 27KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Tillverkning (forts.)• Rådet rekommenderar SKB att bedriva R&D föralternativ till extrusion och att fortsatt bedriva R&D påelektron-strålesvetsning.• Omfattningen och betydelsen av rest-spänningar iolika komponenter bör undersökas ytterligare.• Material and tillverkningsprocess (gjutning) avinsatsen av järn bör optimeras.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 28KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Rådets rekommendationerBentoniten har en nyckelroll i slutförvaret• SKB måste specifiera de viktigaste egenskapernahos materialet i bufferten och fastställa gränsvärdenför egenskaper som t.ex. svällningsförmåga,retardationsförmåga, motståndskraft mot erosion,halt av olika föroreningar• De delar i bufferten som har sammanpressats ska hahög mekanisk hållfasthet och kemisk stabilitet.• SKB bör ta fram modeller som beskriver hur deviktigaste radioaktiva isotoperna transporterasgenom bentoniten2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 29KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Återfyllning och förslutning• Naturligt svällande lera (Friedlandlera) i form avbock, pelletar och granuler• Packningen och svällningen är avgörande – enkomplicerad balansgång mellan bevarad fuktighetoch risk för erosion.• Packning vid kolonnförsök (släta väggar) visar att detlätt uppstår oförutsedda effekter på väggar och attkanaler bildas.• Sprängda tunnlar har skrovliga väggar, tak och golvsamt punktvisa inflöden av vatten.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 30KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Bakgrund till rådets rekommendationerom återfyllningen• Återfyllningen är en kritisk process i slutförvaret• Återfyllning av deponeringstunnlarna sker i direktanslutning till att kopparkapslar och bentonit skadeponeras där vilket gör att aktiviteterna är koppladetill varandra i tid och rum.• SKB avser att täta gränsytorna mot tak och väggarmed bentonitpellets. Det gäller att bentoniten inteföljer med vattnet och lämnar tomrum efter sig.• Hur påverkas den långsiktiga säkerheten av ev.tomrum?2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 31KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Bakgrund till rådets rekommendationerom förslutningen• Förslutningen ska hålla återfyllning avdeponeringstunnlarna på plats och de övre delarnaav schakt och ramp bör klara en period medpermafrost.• Utformning och material ska bestämmas av bergetsegenskaper med avseende på t.ex. sprickor på olikadjup och salthalt• De problem som kan uppstå i samband medklimatförändringar t.ex. högre nivåer och flöden avgrundvatten samt förändrad vattenkemi och högrehavsnivå har hittills inte diskuterats.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 32KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Rådets rekommendationer omförslutningen• SKB behöver överväga de problem som kan uppståunder den förväntade klimatförändringen t.ex. högrenivåer och flöden av grundvatten samt förändradvattenkemi och högre havsnivå.• SKB måste bestämma den slutliga utformningen avförslutningen på grundval av bergets egenskaperbeträffande salthalt och sprickor på olika djup.2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 33KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Kärnavfallsrådets ställningstaganden• SKB bör fortsätta forskning om kopparkorrosion i både oxiskoch (speciellt) i anoxisk miljö• Fördjupad forskning om spänningskorrosion och krypning imetallisk koppar bör genomföras• Forskning om korrosion som initieras av ytornas utseende ochmikrostruktur bör bedrivas• En fördjupad forskning om sambandet mellan bentonitensinnehåll och buffertens egenskaper bör genomföras• Vattenmättnadsprocessen av bufferten under olika förhållandenbör studeras ytterligare• Studier av hur upprepad frysning och upptining av buffert ochåterfyllning påverkar egenskaperna bör genomföras2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 34KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Kärnavfallsrådets synpunkter på forskning ombuffert och återfyllning i Fud-program 2010SKB uppmanas att beskriva konsekvenserna av om kraven för buffertensinitialtillstånd med avseende på vattenmättnad inte är uppfylldaSKB uppmanas att redogöra för betydelsen av återfyllningens densitet ochsammansättning för att kravet på att begränsa buffertens uppåtriktade svällningska uppfyllasSKB bör redogöra för kravet på den låga hydrauliska konduktiviteten i återfyllningenska kunna uppfyllas med bentonitblock med lägre motmorillonithalt än i bufferten.SKB bör överväga de problem som kan uppstå i förslutning på grund avförväntade framtida klimatförändringar liksom perioder av nedfrysning2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 35KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste

Kärnavfallsrådets rekommendationer på forskning om LOMAi Fud-program 2010• SKB bör utreda konsekvenserna av att avfallet i SFR fryser och tinar upprepadegånger• SKB uppmanas att förbättra sina kunskaper om adsorptionsförmågan hos viktigakorrosionsprodukter och betydelsen av mikrobiell aktivitet och kolloidaltransport av radionuklider• SKB uppmanas att undersöka hur materialsammansättning och förbehandlingav betong kan utnyttjas för att öka livslängden hos barriärerna2011-04-05 www.karnavfallsradet.se 36KÄRNAVFALLSRÅDETSwedish National Council for Nuclear Waste