Abstract
The geological disposal in deep bedrock repositories is the preferred option
for the management of high-level radioactive waste. In some of these concepts,
carbon steel is considered as potential canister material and bentonites are
planned as backfill material to protect metal waste containers. Therefore, a
1D radial reactive transport model has been developed in order to better
understand the processes occurring during the long-term iron–bentonite
interaction. The conceptual model accounts for diffusion, chemistry of the
porewater and aqueous complexation reactions, mineral
dissolution/precipitation and absorption, at a constant temperature of
25 ∘C under anoxic conditions. The geometry of the axisymmetric model
reflects the canister–bentonite interface and the bentonite. The primary
phases considered are montmorillonitic smectite, quartz, muscovite, albite,
illite, pyrite and calcite. We assume that carbon steel is composed only of
iron. The potential secondary phases considered are from reported experiments,
such as magnetite, nontronitic smectite, greenalite, cronstedtite and
siderite. The numerical model results suggest that at the iron–bentonite
interface, Fe is adsorbed at the smectite surface via ion exchange in the
short term and it is consumed by formation of the secondary phases in the long
term. Furthermore, calcite precipitates are due to cation exchange in the
short term and due to montmorillonitic smectite dissolution in the long
term. The numerical model predicts the precipitation of nontronitic smectite,
magnetite and greenalite as corrosion products. Results further reveal a
significant increase in pH in the long term, whereas dissolution/precipitation
reactions result in limited variations of the porosity. Progressing bentonite
dissolution owing to the rising pH and concomitantly increasing silicate
concentrations in the porewater induce formation of Fe-silicates as corrosion
products at the expense of magnetite. A sensitivity analysis has also been
performed to study the effect of selected parameters, such as corrosion rate,
diffusion coefficient and composition of the porewater, on the corrosion
products. Overall, outcomes suggest that pH and concentration of dissolved Si
play an important role in corrosion mechanisms. The predicted main secondary
phases in the long term are Fe-silicate minerals. Thus, such phases deserve
further attention as possible chemical barriers for radionuclide migration in
the repository near-field.
Kurzfassung
Beim Umgang mit hochradioaktivem Abfall ist die geologische
Lagerung in tiefen geologischen Formationen die bevorzugte Variante. Manche
dieser Konzepte erwägen Karbonstahl als mögliches Behältermaterial
und sehen Bentonite als Verfüllmaterial zum Schutz der metallischen
Abfallbehälter vor. Für ein besseres Verständnis der Prozesse
während der Langzeitwechselwirkung von Eisen und Bentonit wurde ein
radiales reaktives 1D-Transportmodell entwickelt. Das konzeptuelle Modell
berücksichtigt die Diffusion, die Chemie von Porenwasser und wässrigen
Komplexierungsreaktionen, die Auflösung/Ausfällung von Mineralien und
die Absorption bei konstanter Temperatur von 25 ∘C unter anoxischen
Bedingungen. Die Kanister-Bentonit-Grenzfläche und das Bentonit finden
sich in der Geometrie des achsensymmetrischen Modells wieder. Bei den
primären Phasen handelt es sich um Montmorillonit-Smektit, Quarz,
Muskovit, Albit, Illit, Pyrit und Kalzit. Wir gehen davon aus, dass
Kohlenstoffstahl nur aus Eisen besteht. Die in Betracht gezogenen
möglichen Sekundärphasen stammen aus berichteten Experimenten, wie
z. B. Magnetit, nontronitischer Smektit, Greenalit, Cronstedtit und
Siderit. Die numerischen Ergebnisse des Modells deuten darauf hin, dass an der
Eisen-Bentonit-Grenzfläche Fe kurzfristig durch Ionenaustausch an der
Smektit-Oberfläche absorbiert und langfristig durch die Bildung der
Sekundärphasen verbraucht wird. Außerdem fällt Kalzit kurzfristig
durch Kationenaustausch und langfristig durch die Auflösung von
Montmorillonit-Smektit aus. Das numerische Modell sagt die Ausfällung von
nontronitischem Smektit, Magnetit und Greenalit als Korrosionsprodukte
voraus. Die Ergebnisse zeigen außerdem einen signifikanten Anstieg des
pH-Werts im Langzeitverlauf, während die Auflösungs- und
Fällungsreaktionen zu beschränkten Variationen der Porosität
führen. Die fortschreitende Bentonitauflösung aufgrund des steigenden
pH-Werts und die gleichzeitig zunehmenden Silikatkonzentrationen im
Porenwasser bewirken die Bildung von Fe-Silikaten als Korrosionsprodukte zu
Lasten von Magnetit. Es wurde außerdem eine Sensitivitätsanalyse
durchgeführt, um die Auswirkungen ausgewählter Parameter wie
Korrosionsrate, Diffusionskoeffizient und Porenwasserzusammensetzung auf die
Korrosionsprodukte zu untersuchen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin,
dass der pH-Wert und die Konzentration von gelöstem Si bei den
Korrosionsmechanismen eine wichtige Rolle spielen. Bei den vorausgesagten
wesentlichen Sekundärphasen handelt es sich um Fe-Silikatminerale. Solche
Phasen sollten daher weitere Aufmerksamkeit als mögliche chemische
Barrieren für die Radionuklidmigration im Endlagernahfeld erhalten.