Cuando Barbara Lothenbach sigue adelante con sus proyectos de investigación, sabe que no vivirá para ver el resultado final:lo que está trabajando debe durar entre 100, 000 y un millón de años. El investigador del laboratorio "Concrete &Asphalt" de Empa está investigando materiales a base de cemento, que son adecuados para la eliminación de desechos radiactivos.

Según la Ley de Energía Nuclear, repositorios geológicos profundos en Suiza recibirán bajos, residuos nucleares de actividad media y alta en el futuro. Para este propósito, deben estar disponibles capas de rocas estables para encerrar los contenedores de desechos. Dado que los científicos de materiales saben, sin embargo, que ningún material es inmutable, Debe seleccionarse una formación rocosa que sea geológicamente lo más estable y densa posible, durante miles de años. El Opalinus Clay de 180 millones de años, que se extiende en Suiza entre Olten y Schaffhausen a una profundidad de 600 metros, por ejemplo, ha demostrado ser una roca anfitriona adecuada. Dado que tiene una conductividad de agua baja, tiene excelentes propiedades aislantes.

Roca sólida sellada en la montaña

Pero, ¿cómo reaccionan las estructuras cristalinas y los minerales arcillosos de Opalinus Clay con las barreras de seguridad a base de cemento cuando los estragos del tiempo provocan cambios? La Cooperativa Nacional para la Eliminación de Residuos Radiactivos (Nagra) requiere datos sobre este tema para que un depósito final de residuos nucleares pueda ser incrustado sólido como una roca en la Tierra con respecto a la protección y seguridad ambiental.

Barbara Lothenbach y su equipo llevan a cabo los análisis necesarios mediante la realización de experimentos en condiciones realistas en el laboratorio de rocas de Mont Terri en St. Ursanne, que se construyó en una capa de arcilla Opalinus. Junto con socios internacionales y grupos de investigación de Suiza, como la Universidad de Berna y el Instituto Paul Scherrer (PSI), Se simulan las reacciones de los materiales a base de cemento y la arcilla Opalinus circundante. Los investigadores están investigando y modelando el desarrollo a largo plazo de las capas límite entre los muy diferentes sistemas de materiales en enfoques experimentales que duran varios años a diferentes temperaturas entre 20 y 70 grados Celsius.

Regreso de un conocido establecido

De particular importancia aquí es el pH fuertemente alcalino del cemento, que en el cemento Portland convencional puede alcanzar un pH de 13,5 o incluso superior. Para asegurarse de que el ambiente alcalino no ataque los minerales arcillosos en el área circundante, un nuevo desarrollo, el llamado cemento "bajo en álcali", parecía ser un buen candidato para duradero, Barreras protectoras a base de cemento. Con un pH de 12,2 o inferior, tiene una concentración de álcali que es diez veces menor. Por lo tanto, Lothenbach y su equipo compararon tipos de cemento con diferentes valores de pH utilizando modelos termodinámicos y análisis de difracción de rayos X. Es la primera vez que se dispone de resultados a largo plazo que permiten caracterizar los tipos de cemento y su evolución en la montaña. Resultó que el cemento con bajo contenido de álcali es de hecho más suave con los minerales arcillosos. Sin embargo, cuando se utiliza cemento Portland convencional, Los compuestos químicos se forman con el tiempo que conducen a condiciones igualmente favorables en la barrera de seguridad. "Como resultado, el cemento Portland más económico y bien establecido se ha convertido una vez más en el foco de interés, "dice Lothenbach.

Radiactividad intrincada

Es más, si los materiales a base de cemento deben evitar que las sustancias radiactivas se escapen al medio ambiente, En ningún caso la reacción entre los residuos nucleares y el cemento deberá afectar las barreras de seguridad de la instalación de almacenamiento. Por tanto, los investigadores de Empa han investigado los isótopos radiactivos presentes en los residuos radiactivos, como los del elemento selenio, en estudios de adsorción. Los resultados muestran que los compuestos de selenio son absorbidos por el cemento en grandes cantidades. "Una barrera protectora hecha de hormigón retrasa la liberación de radiactividad en la biosfera, Dado que los minerales del cemento se unen a las sustancias radiactivas y, por lo tanto, detienen su propagación, "concluye Lothenbach.

Sin embargo, no todos los procesos que tienen lugar en la compleja interacción de los materiales que entran en contacto entre sí pueden evaluarse tan fácilmente, señala el investigador. Esperaba que el desarrollo de nuevos cementos bajos en álcali ofreciera ventajas para la durabilidad de las barreras de seguridad. Sin embargo, los investigadores descubrieron inconvenientes en otras propiedades:la combinación de modelos termodinámicos y datos experimentales, El equipo de Lothenbach pudo ver que estos tipos de cemento se unen menos bien a sustancias como el yoduro radiactivo.

Corrosión peligrosa

Es deseable una capa de aislamiento, que sea lo más impermeable posible pero no hermético a los gases. En un repositorio geológico profundo, se pueden producir gases, por ejemplo, por corrosión de los contenedores de acero cerrados, por lo que se forma hidróxido de hierro y se libera hidrógeno. Tales gases, que se producen en pequeñas cantidades a lo largo del tiempo, debe poder escapar para evitar que se desarrolle un exceso de presión. Para rastrear reacciones a largo plazo en la corrosión del hierro en el límite con el material de cemento, los investigadores llevaron a cabo investigaciones utilizando análisis químicos y espectroscopia. Los resultados iniciales muestran que el cemento Portland con su pH alto es más efectivo que el cemento con bajo contenido de álcali. Ahora se planean más experimentos para arrojar luz sobre estos procesos de corrosión aún poco conocidos.

Además, El equipo de Lothenbach ha caracterizado las fases en la zona de interacción del cemento y la Arcilla Opalinus que resultan de la interacción de los minerales arcillosos con los constituyentes del cemento, tal como una fase de silicato de magnesio. Todavía no se ha aclarado de manera concluyente que tales capas intermedias se forman y podrían contribuir a sellar la capa protectora. Lothenbach está convencido de que hallazgos de este tipo pueden contribuir al desarrollo de nuevos sistemas de materiales que son de interés para toda la industria de la construcción. Porque a pesar de las buenas propiedades materiales del cemento Portland, hay una búsqueda creciente de alternativas que sean más amigables con el medio ambiente y ayuden a ahorrar recursos naturales, que también podría usarse para aplicaciones distintas a las de un repositorio geológico profundo.