Bentonit là gì? Các công bố khoa học về Bentonit

Việc chôn lấp địa chất là phương án ưu tiên cho việc lưu trữ cuối cùng đối với chất thải hạt nhân cấp cao và nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng ở hầu hết các quốc gia. Đá vỏ được chọn làm nơi chứa có thể khác nhau trong từng chương trình quốc gia về quản lý chất thải phóng xạ, và các hệ thống rào cản kỹ thuật nhằm bảo vệ và cô lập chất thải cũng có thể khác nhau, nhưng gần như tất cả các chương trình đều xem xét đến việc sử dụng một rào cản kỹ thuật. Đất sét được sử dụng như một lớp đệm bao quanh và bảo vệ các gói chất thải riêng lẻ và/hoặc như một lớp niêm phong đường hầm, ngăn cách các phòng chôn lấp với các giếng dẫn lên bề mặt.

Đất sét bentonite và hỗn hợp bentonite/cát được chọn chủ yếu vì có độ thấm nước thấp trong trạng thái bão hòa. Điều này đảm bảo rằng khuếch tán sẽ là cơ chế vận chuyển chủ yếu trong hệ thống rào cản. Một lợi thế quan trọng khác là áp suất phồng lên, đảm bảo khả năng tự bịt kín và đóng các khe hở trong rào cản đã được lắp đặt cũng như khu vực bị hư hại do đào bới xung quanh các đường hầm đặt chất thải. Đất sét bentonite là một vật liệu địa chất tự nhiên đã ổn định trên quy mô hàng triệu năm và điều này rất quan trọng vì các rào cản cần phải giữ vững các thuộc tính của chúng trong thời gian lên đến 10⁶ năm.

Để có thể cấp phép cho một kho lưu trữ cuối cùng đối với chất thải phóng xạ cấp cao, cần có sự hiểu biết vững chắc về cách các rào cản phát triển theo thời gian. Hiểu biết này dựa trên những kiến thức khoa học về các quá trình và điều kiện biên tác động lên các rào cản trong kho lưu trữ. Những điều kiện này thường được chia thành các quá trình nhiệt, thủy lực, cơ học và (sinh) hóa. Các ví dụ về các lĩnh vực cần được đánh giá bao gồm sự phát triển nhiệt độ trong kho lưu trữ trong giai đoạn đầu do nhiệt độ phân hủy trong chất thải, việc tái bão hòa các khối bentonite đã được lắp đặt, sự tích tụ của áp suất phồng lên trên các thùng chứa và đá xung quanh, cũng như sự suy giảm của thành phần montmorillonite trong bentonite. Một lĩnh vực phát triển quan trọng khác là các khía cạnh kỹ thuật: làm thế nào có thể chế tạo, kiểm soát chất lượng và lắp đặt các rào cản?

Người ta nghi ngờ rằng trạng thái nén của các loại đất sét nén chặt được sử dụng làm rào chắn kỹ thuật cho việc xử lý chất thải hạt nhân là phụ thuộc vào thời gian, và rằng có thể có sự thay đổi tiếp theo trong vật liệu, ngay cả khi độ ẩm và mật độ không đổi. Bài báo này trình bày một cuộc điều tra về các thay đổi vi cấu trúc phụ thuộc vào thời gian của bentonite MX80 được nén ở các mật độ và độ ẩm khác nhau. Cuộc điều tra vi cấu trúc dựa trên các phép đo phân bố kích thước lỗ mao quản bằng phương pháp xâm nhập thủy ngân và hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả thu được từ các nhà nghiên cứu khác bằng cách sử dụng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp cũng được sử dụng. Các mẫu nén tĩnh của MX80 đã được giữ ở thể tích và độ ẩm không đổi trong các khoảng thời gian khác nhau (1, 30 và 90 ngày) trước khi thực hiện xâm nhập thủy ngân và điều tra vi cấu trúc SEM. Một sự thay đổi đáng kể trong vi cấu trúc theo thời gian đã được quan sát, được đặc trưng bởi sự giảm bớt độ rỗng giữa các hạt và sự gia tăng tính rỗng rất mỏng không bị xâm nhập bởi thủy ngân (r < 3·7 nm). Quan sát trước liên quan đến việc lấp đầy các lỗ mao quản lớn giữa các hạt thông qua sự phồng lên, và quan sát sau liên quan đến các thay đổi xảy ra trong các tinh thể khi sự hút nước bị giảm. Những thay đổi này được giải thích dưới ánh sáng của một cuộc điều tra được thực hiện trên các mẫu tương tự bằng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp. Những thay đổi bên trong các tinh thể được điều chỉnh bởi sự xếp lớp dần dần của các phân tử nước giữa các lớp bên trong các hạt cùng với sự phân chia của các hạt, tạo nên một độ rỗng giữa các hạt phát triển bên trong các tinh thể.

Cơ chế cơ học của các loại đất sét bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thành phần của chất lỏng trong lỗ rỗng. Hơn nữa, việc tiếp xúc với các chất lỏng khác với chất lỏng trong lỗ rỗng có thể tạo ra một giai đoạn tạm thời trong đó các loại đất sét trải qua sự thay đổi thể tích đáng kể. Mục tiêu của bài báo này là điều tra những hiện tượng này và nguyên nhân của chúng. Để thực hiện điều này, một số lượng lớn mẫu ponza bentonite (chủ yếu được cấu thành từ Namontmorillonite) đã được bão hòa nước và tiếp xúc luân phiên với nước cất và với các dung dịch NaCl, KCl hoặc CaCl₂ bão hòa trong quá trình thử nghiệm cắt trực tiếp và thử nghiệm oedometer trong phòng thí nghiệm.

Việc tiếp xúc với bất kỳ một trong ba chất điện phân này đã làm cho các mẫu bị nén lại, giảm khả năng biến dạng và làm tăng mạnh độ bền cắt dư. Khi đạt trạng thái cân bằng, hành vi cơ học trở nên rất giống với các mẫu đã được chuẩn bị trực tiếp bằng dung dịch muối thích hợp làm chất lỏng trong lỗ rỗng. Đối với cả hai loại mẫu (tức là những mẫu chuẩn bị với chất điện phân và những mẫu tiếp xúc với nó), tác động của NaCl đều có thể đảo ngược khi mẫu được tiếp xúc lại với nước, trong khi các tác động của KCl và CaCl₂ vẫn tồn tại ngay cả sau vài tháng thử nghiệm liên tục.

Các kết quả thử nghiệm nhất quán với giả thuyết rằng sự thay đổi trong độ dày của lớp màng khuếch tán đã được tạo ra bởi sự khuếch tán của các ion vào hoặc ra khỏi đất sét. Phân tích nhiễu xạ X-quang cho thấy, trong các trường hợp KCl và CaCl₂, sự khuếch tán vào trong đã dẫn đến sự trao đổi ion. Do đó, sự giảm của lớp màng khuếch tán là vĩnh viễn, trong các điều kiện thí nghiệm đã cho, và khiến các hiện tượng thẩm thấu tiếp theo gần như không đáng kể.