Resumen de Reactividad y alteración en la superficie de contacto entre una bentonita y morteros de cemento: Aplicación al comportamiento de barreras de ingeniería en el almacenamiento geológico de residuos radiactivos
El destino final de los residuos radiactivos procedentes de las centrales nucleares constituye un problema de primer orden a escala mundial. La comunidad científica se inclina por su almacenamiento en medios geológicos situados a profundidades de hasta 1000 m. Este emplazamiento requiere de un sistema de barreras de ingeniería (Engineering Barrier System, EBS) superpuestas capaz de aislar los residuos durante cientos de miles de años, momento en el cual la emisión de radiación de alta actividad específica habría finalizado. Para poder garantizar la estabilidad del EBS es necesario el estudio de la evolución de los materiales que lo constituyen, entre éstos destacan los materiales basados en cemento y arcillas. Una de las vías de estudio consiste en el desarrollo de experimentos de laboratorio capaces de reproducir la reactividad geoquímica que se genera por el contacto entre los distintos materiales de las barreras teniendo en cuenta factores como el entorno geológico y las características de las aguas subterráneas. Esto es factible de reproducir en experimentos de laboratorio instalados en excavaciones subterráneas (Underground Research Laboratories, URL), es decir, realizados in-situ en la propia matriz geológica. Partiendo de la base de que los URL son la piedra angular para el estudio del comportamiento del EBS a medio y largo plazo, estos emplazamientos están condicionados por la necesidad de una importante infraestructura, tiempo de experimentación (decenas de años) y sujetos a un número muy limitado de muestras por razones económicas. De modo que los experimentos de laboratorio a pequeña escala podrían cubrir estos aspectos y complementar los resultados de los URL desde las etapas iniciales.
En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo experimental basado en celdas de transporte que confinan un mortero de cemento en contacto con una arcilla bentonítica. Además, se ha simulado la hidratación de tapones de hormigón que actúan de sello de contención de la bentonita compactada infiltrando agua subterránea procedente de un entorno granítico, atravesando primero el mortero y después la bentonita, donde el agua de interacción fue recogida y analizada periódicamente. De esta forma, se ha pretendido reproducir las condiciones previstas de una parte del sistema multibarrera concebido para un almacenamiento geológico profundo (AGP) en granito. Tras una primera etapa de puesta a punto y optimización de los materiales del modelo experimental y la metodología, se procedió a evaluar las perturbaciones geoquímicas generadas por tres tipos de morteros de cemento: i) un mortero caracterizado por generar un “bajo pH” en su porosidad intersticial (denominado como LpH), para lo cual se utilizó cemento Pórtland CEM-I y adición de microsílice; ii) un mortero con alto pH (HpH) elaborado con cemento Pórtland CEM-I sin adiciones minerales (denominado como CEM-I); y un tercer tipo de mortero, también de alto pH (denominado como CEM-II), elaborado con cemento Pórtland CEM-II con adición caliza. Todos fueron puestos en contacto con el mismo tipo de arcilla, la bentonita-FEBEX (Full-scale Engineered Barrier EXperiment) y agua granítica. El estudio se realizó en intervalos de tiempo de 6 y 18 meses, donde cada tipo de experimento fue duplicado en cada uno de los dos periodos de tiempo estando el modelo experimental constituido por un total de 12 celdas de transporte. Una vez completados los experimentos, los materiales fueron caracterizados en cuanto a: i) su mineralogía mediante técnicas de difracción de rayos X (XRD); ii) su morfología y composición química a escala nano-milimétrica mediante Microscopía Electrónica de Barrido con Energía Dispersiva de Rayos X (Scanning Electron Miscroscopy coupled to Energy Dispersive X-Ray, SEM-EDX), iii) y su superficie específica (Specific Surface Area, SSA) por el método Brunauer–Emmett–Teller con N2 (g) (BET-N2). En lo que respecta al agua infiltrada y recogida durante el transcurso de los experimentos, se determinaron: los iones mayoritarios mediante cromatografía iónica y detector de conductividad eléctrica (IC-DC), pH y carbonatos por valoración potenciométrica, y sílice en disolución acuosa por espectrofotometría visible (λ = 800 nm). Complementariamente se calculó la conductividad hidráulica presentada por cada una de las celdas de transporte.
En el estudio piloto de <3 meses de duración se observó una reactividad muy limitada en términos de extensión e intensidad, tanto en el mortero como en la bentonita-FEBEX. Si bien, estas alteraciones mostraban similitudes con aquellas recogidas en la bibliografía científica, de modo que permitían validar una metodología de base para proceder con mayor garantía al estudio simultáneo y sistemático del conjunto de las 12 celdas a lo largo de los 6 y 18 meses. En los experimentos, se observó una diferente evolución de la reactividad en función del tipo de experimento planteado y el tiempo: - El mortero de LpH presentó formación de brucita en la superficie enfrentada con la bentonita. Ésta posteriormente daría paso a la formación de fases de silicatos de magnesio y calcio hidratados (M-S-H y C-S-H) tras 18 meses de interacción. Además, la composición química del mortero mostró una ligera carbonatación (acumulación de Ca por precipitación de calcita) en las proximidades del contacto (zona denominada también como interfase). Con respecto a la bentonita-FEBEX, se observaron contenidos máximos de Mg a una distancia de decenas de micras del contacto con el mortero. Ambos materiales sufrieron una pérdida de SSA presumiblemente ligada a un proceso de oclusión de la meso-microporosidad.
- En los experimentos de HpH, es decir con CEM-I y CEM-II, los morteros mostraron mayor grado de carbonatación y contrariamente a lo observado en los morteros LpH, no se produjo la precipitación de minerales exclusivamente de Mg como la brucita. En cuanto al estudio de las superficies e interfases de la bentonita-FEBEX, éstas presentaban una mayor alteración por acumulación de Mg en las proximidades del contacto ocasionada por la presencia de fases de silicato de Mg, fundamentalmente constituidas por brucita intercalada entre las láminas de montmorillonita (Mnt) presente en la bentonita-FEBEX, sin que se pueda excluir la neoformación de fases silicatos de Mg hidratados con un alto grado de desorden estructural. También se detectó la presencia minoritaria de calcita en las superficies de la bentonita enfrentadas al mortero y proximidades de la interfase. Por último, sólo los experimentos con CEM-II mostraron una pequeña tendencia a aumentar su SSA con el tiempo.
Otros procesos observados comunes a los 3 tipos de experimentos fueron: i) la migración de Al desde la bentonita hacia los morteros, favoreciendo así la precipitación sulfoaluminatos cálcicos (principalmente etringita) además de silicatos de calcio hidratados con baja sustitución de silicio por aluminio (C-(A)-S-H) y estructura similar a la de la tobermorita.
Paralelamente, los parámetros estudiados del efluente mostraron independientemente del tipo de experimento valores de pH y sílice característicos de la bentonita, predominando las especies acuosas de carbonato al final del experimento (18 meses) quedando por tanto condicionados por el equilibrio establecido con ésta.
Los resultados se han obtenido a partir de un modelo experimental no planteado con anterioridad. Es versátil puesto que permite estudiar la reactividad y rendimiento de distintos materiales en periodos de tiempo relativamente cortos y bajo las mismas condiciones experimentales y de repetitividad, lo que en última instancia aporta una mayor robustez a los resultados obtenidos.
Además, la tesis ha permitido evaluar la reactividad que tiene lugar inicialmente en los materiales del EBS que junto con las perturbaciones observadas en los URL realizados in-situ, en escalas de tiempo de decenas de años y en tamaños reales, permiten hacer una primera extrapolación o escalado “up-scaling” de la evolución de tales perturbaciones.
Por último, aportan datos de gran utilidad para la elaboración de modelos geoquímicos que finalmente sí podrían estimar en un marco razonablemente seguro la perturbación que sufrirían los materiales de base cemento y la barrera de arcilla hasta que decayera la radiactividad a los valores naturales de fondo (>104 años).
