Effetti dei prodotti della corrosione del ferro sul degrado della struttura e delle proprietà della bentonite

npj Materiali Degradazione volume 7, Numero articolo: 66 (2023) Citare questo articolo

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La bentonite è un materiale chiave per le barriere ingegneristiche volte a prevenire la migrazione delle acque sotterranee e dei nuclidi nel sistema multi-barriera di smaltimento geologico dei rifiuti radioattivi ad alta attività (HLW). Tuttavia, la sua proprietà barriera verrà degradata sotto l'azione dei prodotti della corrosione del ferro presenti nei contenitori di smaltimento in acciaio. In questo articolo, sono stati studiati gli effetti dei prodotti della corrosione del ferro sul degrado della struttura e delle proprietà della bentonite negli ambienti simulati per lo smaltimento geologico HLW. I risultati hanno mostrato che Fe2+/Fe3+ disciolto dalla polvere di ferro poteva entrare nell'interstrato di montmorillonite (Mt) e sostituire parte di Na+, causando la diminuzione del volume e della spaziatura tra gli strati di Mt e la distruzione dell'integrità strutturale di Mt. Macroscopicamente, l’assorbimento d’acqua e la proprietà di rigonfiamento della bentonite erano significativamente diminuiti. Il meccanismo di degradazione della struttura del Mt era principalmente dovuto al fatto che Fe2+/Fe3+ generato dalla corrosione del ferro entrava nel dominio interstrato di Mt per compensare il deficit di carica interstrato.

Lo smaltimento in strati geologici profondi è generalmente accettato dalla maggior parte dei paesi come l'unico schema fattibile per trattare i rifiuti altamente radioattivi (HLW), che adotta principalmente il sistema multi-barriera per isolare permanentemente i rifiuti HLW dall'ambiente di vita1,2,3. Nel sistema multi-barriera, il contenitore a base di ferro e il materiale tampone/riempimento sono i materiali tecnici chiave per prevenire la fuoriuscita di nuclidi4. Tra questi, la resistenza alla corrosione dei contenitori a base di ferro è l'elemento fondamentale per garantire la stabilità e la durata del sistema di deposito5. Il materiale tampone/riempimento riempito tra la roccia circostante e il contenitore metallico deve avere proprietà meccaniche e capacità tampone adeguate6,7. La sua funzione principale è quella di alleviare la pressione della roccia circostante sui contenitori metallici. Quando il contenitore si rompe a causa della perforazione dovuta alla corrosione, può anche bloccare efficacemente la migrazione dei radionuclidi nell'ambiente circostante8. Pertanto, nello smaltimento geologico profondo di HLW, il sistema di materiali tampone/ripieno svolge un ruolo cruciale nella barriera tecnica, nella barriera idraulica e nella barriera chimica, nonché nella conduzione e dissipazione del calore derivante dal decadimento dei rifiuti radioattivi, ed è un'efficace garanzia per la sicurezza e la stabilità a lungo termine del deposito geologico di HLW9,10. Tuttavia, dovrà affrontare la minaccia di destabilizzazione e degrado con lo smaltimento, che può accelerare la fuoriuscita di nuclidi e quindi causare gravi danni alla salute pubblica internazionale e all’ambiente ecologico.

La bentonite è stata selezionata da molti paesi come materiale tampone per il deposito geologico di HLW a causa della sua conduttività dell'acqua estremamente bassa e delle buone proprietà di adsorbimento dei nuclidi11. La montmorillonite (Mt) è il principale componente minerale che si rigonfia quando la bentonite assorbe acqua o soluzioni12. La struttura cristallina di Mt appartiene al sistema monoclino e ogni strato unitario è composto da un foglio ottaedrico Al-O e due fogli tetraedrici Si-O. La superficie dello strato lamellare di Mt è caricata negativamente a causa della sostituzione isomorfa di Mg2+/Fe2+ con Al3+ nel foglio ottaedrico e/o Al3+ con Si4+ nel foglio tetraedrico e la carica negativa può essere bilanciata da cationi interstrato come Na+, K+, Ca2+ o Mg2+12,13. Questi cationi interstrato sono comunemente idratati e scambiabili, quindi la bentonite ha una forte capacità di rigonfiamento dell'acqua, capacità di adsorbimento cationico e capacità di scambio cationico (CEC)14,15. Le acque sotterranee solitamente contengono cationi come K+, Ca2+ e Na+, che hanno un impatto importante sulla struttura e sulle prestazioni tampone del Monte. Egloffstein ha riferito che il Ca2+ nella soluzione salina può facilmente sostituire il Na+ degli interstrati di Mt nella bentonite, diminuendo così la spaziatura tra gli strati e capacità di rigonfiamento di Mt16. Karnland et al. hanno scoperto che Mt potrebbe essere dissolto a pH elevato (pHå 12) e generare minerali non rigonfianti17,18,19. Inoltre, la porosità e la permeabilità della bentonite sono aumentate, mentre le prestazioni di barriera tampone sono diminuite20. Quando la concentrazione di questi cationi nella soluzione è troppo elevata, la carica negativa delle particelle colloidali di bentonite diminuisce sotto l'azione della neutralizzazione elettrica e la repulsione reciproca diminuisce, con conseguente aggregazione e sedimentazione delle particelle colloidali di bentonite21. Questo effetto corrisponde semplicemente alla diminuzione dello spessore del doppio strato elettrico con l'aumento della forza ionica, e l'influenza della forza ionica sulla struttura e sulle proprietà del Mt merita ulteriori studi. Nel frattempo, anche la capacità di assorbimento dei cationi della bentonite diminuirà in modo significativo. Inoltre, il collasso dello strato intermedio di Mt può ostacolare ulteriormente lo scambio cationico.