Sorption and matrix diffusion in crystalline rocks – In-situ and laboratory approach

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3534-6
Title: Sorption and matrix diffusion in crystalline rocks – In-situ and laboratory approach
Author: Ikonen, Jussi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry, Radiokemia
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The geological disposal of spent nuclear fuel may represent a good solution after a thorough risk assessment. In Finland and Sweden, the host rock for geological disposal is crystalline rock and the repository is based on the Swedish KBS-3 multi-barrier design. When radionuclides from spent nuclear fuel are potentially released into the bedrock, they are then transported by advection along water-conducting fractures. The retardation of radionuclides can occur via molecular diffusion into stagnant pore water and/or via chemical retardation onto mineral surfaces in the rock matrix. When assessing the risk of spent nuclear fuel deposition, it is important to understand the transport behaviour of radionuclides in the bedrock, that is, at the rock–groundwater interface. Most parameters, such as the diffusion coefficient, the distribution coefficient and the rock porosity, associated with radionuclide migration in the rock are obtained from laboratory scale experiments. In order to apply results from laboratory experiments to the full-scale nuclear fuel deposition, in-situ experiments are performed. For example, the Swiss National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (Nagra) have been conducting extensive in-situ experiments at the Grimsel Test Site (GTS). During the first in-situ test, tritiated water (HTO), 22Na, 134Cs and 131I, as well as non-radioactive isotopes 127I and 23Na, were circulated in a borehole interval isolated by packers 70 cm apart from each other. The second ongoing Long Term Diffusion (LTD) experiment primarily uses the same radionuclides as well as the non-radioactive element selenium. This thesis presents the laboratory analysis of HTO and iodine from an in-situ diffusion experiment and supporting laboratory studies aimed at determining the sorption and diffusion of caesium and selenium on Grimsel granodiorite (GG). Caesium sorption was studied through batch sorption experiments using crushed rock, while selenium diffusion and sorption relied on batch and block scale experiments using Kuru grey granite (KGG) and GG rock blocks. HTO and iodine diffusion was modelled using the time domain diffusion (TDD) method among in in-situ rock blocks as well as selenium in a laboratory using rock blocks. The outleaching method proved successful for analysing non-sorbing radionuclides from the connected pore network of the GG. TDD modelling of the results lead to an apparent diffusion coefficient of 3 × 10-10 m2/s for both HTO and iodine. No significant difference between the in-situ and laboratory diffusion coefficient was detected. Caesium sorption stood at 0.107 ± 0.003 m3/kg on GG at a 10−8 M Cs concentration. Sorption was highest on biotite at Kd = 0.304 ± 0.005 m3/kg, explaining the in-situ diffusion results of caesium which followed the biotite veins in GG. The sorption of selenium was significantly overestimated when the determination was conducted on crushed rock using the batch sorption method compared to studies conducted on intact rock. The outleaching method proved successful in the analysis of non-sorbing radionuclides, while flexible TDD modelling proved to be a quite useful tool in handling measured data from both block scale experiments and in-situ experiments of weakly and non-sorbing tracers.Geologinen loppusijoittaminen tarjoaa hyvän vaihtoehdon käytetyn ydinpolttoaineen hävittämiselle, kun perinpohjainen riskinarviointi on suoritettu. Suomessa ja Ruotsissa geologinen loppusijoitus perustuu ruotsalaiseen KBS3 moniestemalliin ja isäntäkivenä toimii kiteinen kivi. Jos radionuklidit vapautuvat käytetystä ydinpolttoaineesta peruskallioon, ne kulkeutuvat advektiolla vettä johtavia rakoja pitkin. Radionuklidien pidättyminen voi tapahtua diffuusiolla seisovaan huokosveteen tai/ja kemiallisella pidättymisellä kivien mineraalipinnoille. Kun arvioidaan ydinjätteiden loppusijoituksen riskejä, on tärkeää ymmärtää radionuklidien kulkeutuminen peruskalliossa eli kivi-pohjavesi rajapinnalla. Useimmat radionuklidien kulkeutumiseen kivessä liittyvät parametrit, kuten diffuusiokerroin, jakautumiskerroin ja kiven huokoisuus, on saatu laboratoriokokeista. In-situ kokeita tehdään, jotta näitä tuloksia voitaisiin soveltaa täyden mittakaavan ydinjätteidenloppusijoituksessa. Esimerkiksi Sveitsiläinen Nagra (National Cooperative of Radioactive Waste) on suorittanut kattavia in-situ kokeita Grimselin vuorilaboratoriossa. Ensimmäisessä in-situ kokeessa merkkiaineita, tritioitu vesi (HTO), 22Na, 134Cs ja 131I sekä stabiileja isotooppeja 127I ja 23Na, kierrätettiin 70 cm pitkällä eristetyllä alueella kairanreiässä. Toisessa kokeessa käytetään myös näitä samoja nuklideja ja sen lisäksi ei radioaktiivista seleeniä. Tässä väitöskirjassa esitetään HTO:n ja jodin laboratoriomääritykset in-situ diffuusiokokeesta ja kesiumin ja seleenin sorptiota ja diffuusiota Grimselin granodioriitissä (GG) tutkivat tukevat laboratoriokokeet. Kesiumin sorptiota tutkittiin kivimurskeilla tehdyillä sarjakokeilla. Seleeni sorptiota ja diffuusiota tutkittiin Kurun harmaassa graniitissa (KGG) ja GG:ssä sekä kivimurskeilla, että kivilohkareissa tehdyillä diffuusiokokeilla. HTO:n, jodin ja seleenin diffuusiota mallinnettiin TDD (time domain diffusion) menetelmällä. Ulosuutto osoittautui toimivaksi menetelmäksi ei-sorboituvien radionuklidien määrittämiseksi GG:n yhtenäisestä huokosverkostosta. Tulosten TDD mallinnuksen perusteella näennäiseksi diffuusiokertoimeksi saatiin 3 × 10-10 m2/s sekä HTO:lle että jodille. In-situ ja laboratorio diffuusiokertoimien välillä ei havaittu merkittävää eroa. Kesiumin jakaantumiskerroin oli 0.107 ± 0.003 m3/kg GG:ssä Cs pitoisuuden ollessa 10−8 M. Sorptio oli suurinta biotiittin Kd = 0.304 ± 0.005 m3/kg. Tämä selittää in-situ tulokset, jossa kesiumin diffuusio seuraa biotiittijuonteita. Seleenin sorptio oli huomattavasti yliarvioitu kun se määritettiin sarjakokeilla kivimurskeeseen verrattuna kokonaisella kivellä tehdyillä kokeilla saatuihin arvoihin. Ulosuutto osoittautui toimivaksi menetelmäksi ei-sorboituvien radionuklidien määrittämisessä. Myös TDD mallinnus osoittautui hyödylliseksi työkaluksi sekä lohkare että in-situ kokeista saatujen mittaustulosten käsittelyssä heikosti- ja ei-sorboituville radionuklideille.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3534-6
http://hdl.handle.net/10138/209209
Date: 2017-09-08
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Sorption.pdf 2.065Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record