Thermo-hydro-mechanisch gedrag van de klei

In het bergingsconcept zoals het door NIRAS wordt voorzien, fungeert de klei als een natuurlijke barrière die de bergingsinstallatie insluit en de verspreiding van de radioactieve stoffen sterk vertraagt wanneer ze vrijkomen uit de afvalverpakking. De gunstige eigenschappen van de klei die hiervoor zorgen, zijn het plastische gedrag, de zeer lage waterdoorlatendheid en de eigenschap van de kleimineralen om de vrijgekomen radioactieve stoffen aan zich te binden. Om de veiligheid van een bergingsinstallatie te kunnen evalueren moeten deze eigenschappen op grote diepte onderzocht en geanalyseerd worden. Het ESV EURIDICE bestudeert specifiek het gedrag van de klei in de verstoorde zone rondom de galerijen en het effect van warmte op de gunstige eigenschappen van de klei.

Breukvorming en het zelfsluitend vermogen  van de klei 

Bij het uitgraven van galerijen in de ondergrond ontstaan onvermijdelijk breuken in de kleizone rond de uitgraving. Bij het uitgraven van de verbindingsgalerij en de PRACLAY-galerij werd een uitgebreid onderzoeksprogramma opgezet om dit breukpatroon te karakteriseren en de mogelijke impact ervan op de performantie van het bergingssysteem te analyseren. Door de hoge plasticiteit sluit de klei zich na verloop van tijd opnieuw, waardoor de breuken als het ware verdwijnen. Dit noemt men "self-sealing" of het zelfsluitend gedrag van de klei. Uit het onderzoek van dit zelfsluitend gedrag is gebleken dat de breuken de veiligheidsfunctie van de Boomse Klei als natuurlijke barrière bij de berging van radioactief afval niet aantasten.

Karakterisering van het breukpatroon bij de verbindingsgalerij 

De breuken die ontstonden bij het uitgraven van de verbindingsgalerij op een diepte van 225 meter werden opgemeten. Dit gebeurde zowel aan de zijwanden als aan het front van de uitgraving. Op die manier werd het breukpatroon gekarakteriseerd. Breuken ontstonden ongeveer 6 meter voor het uitgravingsfront en reikten tot 1 meter rond de galerij. Gedetailleerde informatie over dit onderzoek vind je in het CLIPEX-project.

breukpatroonBreuken in de zijwand                              Breuken in het uitgravingsfront                 Schematisch breukpatroon

Zelfsluitend vermogen van de klei

Door het plastische gedrag heeft de klei het vermogen om de gevormde breuken opnieuw te sluiten (self-sealing). In het kader van het SELFRAC-project werd dit zelfsluitend vermogen onderzocht. In HADES stelden onderzoekers vast dat boorgaten met een diameter van 10 cm na enkele dagen weer helemaal gesloten zijn. In de bovengrondse laboratoria werden kleistalen gebroken om de evolutie van de breuk op te volgen. Hiervoor werden scans van de stalen genomen. Na verloop van tijd is de breuk niet meer zichtbaar.

zelfsluitend vermogen van klei  Beeld van kleikern met breuk                             Beeld van diezelfde kleikern na "self-sealing"

Opwarming van de klei

Hoogradioactief afval produceert warmte. Na een periode van afkoeling aan de oppervlakte zal dit afval bij berging nog steeds een beperkte hoeveelheid warmte produceren. Hierdoor zal de klei opwarmen. Afhankelijk van de aard van het afval zal 10 à 15 jaar na berging een maximale temperatuur van ongeveer 75°C worden bereikt op het contact van de bergingsgalerij met de klei. Daarna koelt de klei weer af en na een duizendtal jaar zal de klei opnieuw dezelfde temperatuur hebben als vóór het plaatsen van het afval.

Tijdens het ATLAS-experiment werd een verwarmingselement via een boorgat in de klei aangebracht. Door de evolutie van de temperatuur in andere boorgaten te meten, konden wetenschappers de verspreiding van de warmte in de klei bestuderen. Op deze manier kon de thermische geleidbaarheid van de klei bepaald worden en kon berekend worden hoeveel de temperatuurstoename zal bedragen op een bepaalde afstand van de bergingsgalerijen.

Thermisch, hydraulisch en mechanisch gedrag van de klei bij opwarming

Om zeker te zijn dat de gunstige eigenschappen van de klei als gastgesteente behouden blijven, moet onderzocht worden wat het effect is van deze temperatuurstoename op de klei. De toename kan tijdelijk een effect hebben op de waterdoorlatendheid (hydraulische eigenschap) en het mechanische gedrag van de klei. Het thermische, hydraulische en mechanische gedrag zijn op een zeer complexe manier aan mekaar gekoppeld. Men spreekt daarom van het "THM-gedrag" van de klei.

De experimenten tot nu toe wijzen uit dat er op lange termijn geen impact is op de gunstige eigenschappen van de klei als natuurlijke barrière. Het PRACLAY-experiment heeft als doel de bestaande kennis hierover op grote schaal te bevestigen en indien nodig te verfijnen. Met het PRACLAY-experiment wordt de impact van het THM-gedrag van de klei bestudeerd op een schaal die vergelijkbaar is met een ondergrondse bergingsinstallatie. Een elektrisch verwarmingssysteem produceert een hoeveelheid warmte die vergelijkbaar is met de warmte die geproduceerd zal worden door hoogradioactief afval wanneer het, na zestig jaar afkoeling aan de oppervlakte, in een bergingsgalerij zou worden geplaatst. Rond de galerij worden verschillende meetsensoren geplaatst. Niet alleen de temperatuur wordt gemeten, maar ook de druk van het poriënwater, de druk van de klei, de verplaatsing van de klei en de chemische evolutie van het poriënwater.