Quando Barbara Lothenbach leva adiante seus projetos de pesquisa, ela sabe que não viverá para ver o resultado final:o que ela está trabalhando deve durar entre 100, 000 e um milhão de anos. O pesquisador do laboratório "Concreto e Asfalto" da Empa está investigando materiais à base de cimento, que são adequados para a eliminação de resíduos radioativos.

De acordo com a Lei de Energia Nuclear, repositórios geológicos profundos na Suíça devem receber baixa, resíduos nucleares de médio e alto nível no futuro. Para este propósito, camadas de rocha estável devem estar disponíveis para incluir os recipientes de resíduos. Como os cientistas de materiais sabem, Contudo, que nenhum material é imutável, deve-se selecionar uma formação rochosa que seja geologicamente o mais estável e densa possível - ao longo de milhares de anos. O Opalinus Clay, de 180 milhões de anos, que se estende na Suíça entre Olten e Schaffhausen a uma profundidade de 600 metros, por exemplo, provou ser uma rocha hospedeira adequada. Uma vez que tem uma baixa condutividade de água, possui excelentes propriedades isolantes.

Rocha sólida selada na montanha

Mas como as estruturas cristalinas e os minerais de argila do Opalinus Clay reagem com as barreiras de segurança à base de cimento quando a devastação do tempo leva a mudanças? A Cooperativa Nacional para o Descarte de Resíduos Radioativos (Nagra) requer dados sobre esta questão para que um repositório final para resíduos nucleares possa ser incorporado como uma rocha sólida na Terra no que diz respeito à proteção ambiental e segurança.

Barbara Lothenbach e sua equipe realizam as análises necessárias conduzindo experimentos sob condições realistas no Laboratório Mont Terri Rock em St. Ursanne, que foi construído em uma camada de argila opalinus. Junto com parceiros internacionais e grupos de pesquisa da Suíça, como a Universidade de Berna e o Instituto Paul Scherrer (PSI), reações de materiais à base de cimento e da argila Opalinus circundante são simuladas. Os pesquisadores estão investigando e modelando o desenvolvimento de longo prazo das camadas limites entre os sistemas de materiais muito diferentes em abordagens experimentais que duram vários anos em diferentes temperaturas entre 20 e 70 graus Celsius.

Retorno de um conhecido estabelecido

De particular importância aqui é o pH fortemente alcalino do cimento, que no cimento Portland convencional pode ser tão alto quanto pH 13,5 ou até mais alto. Para garantir que o ambiente alcalino não ataque os minerais de argila na área circundante, um novo desenvolvimento, o chamado cimento de "baixo teor alcalino", parecia ser um bom candidato para durável, barreiras de proteção à base de cimento. Com um pH de 12,2 ou inferior, tem uma concentração de álcali que é mais de dez vezes menor. Lothenbach e sua equipe, portanto, compararam tipos de cimento com diferentes valores de pH usando modelagem termodinâmica e análise de difração de raios-X. É a primeira vez que estão disponíveis resultados a longo prazo que permitem caracterizar os tipos de cimento e a sua evolução na montanha. Descobriu-se que o cimento de baixo teor alcalino é de fato mais suave com os minerais de argila. Contudo, quando o cimento Portland convencional é usado, compostos químicos são formados ao longo do tempo que levam a condições igualmente favoráveis ​​na barreira de segurança. "Como resultado, o cimento Portland mais barato e bem estabelecido voltou a ser o foco de interesse, "diz Lothenbach.

Radioatividade intrincada

Além disso, se os materiais à base de cimento devem evitar que substâncias radioativas escapem para o meio ambiente, Em nenhuma circunstância a reação entre os resíduos nucleares e o cimento deve prejudicar as barreiras de segurança da instalação de armazenamento. Os pesquisadores da Empa investigaram, portanto, os isótopos radioativos presentes nos resíduos radioativos, como os do elemento selênio, em estudos de adsorção. Os resultados mostram que os compostos de selênio são absorvidos pelo cimento em grandes quantidades. “Uma barreira protetora feita de concreto retarda a liberação de radioatividade na biosfera, uma vez que os minerais do cimento se ligam às substâncias radioativas e, assim, impedem sua disseminação, "conclui Lothenbach.

Contudo, nem todos os processos que ocorrem na interação complexa dos materiais que entram em contato uns com os outros podem ser avaliados tão facilmente, o pesquisador aponta. Ela esperava que o desenvolvimento de novos cimentos de baixo teor alcalino oferecesse vantagens para a durabilidade das barreiras de segurança. Contudo, os pesquisadores descobriram desvantagens em outras propriedades:combinar modelagem termodinâmica e dados experimentais, A equipe de Lothenbach percebeu que esses tipos de cimento se ligam menos a substâncias como o iodeto radioativo.

Corrosão perigosa

Uma camada de isolamento é desejável, que é o mais à prova d'água possível, mas não à prova de gás. Em um repositório geológico profundo, gases podem ser produzidos, por exemplo, por corrosão dos recipientes de aço fechados, em que o hidróxido de ferro é formado e o hidrogênio é liberado. Esses gases, que são produzidos em pequenas quantidades ao longo do tempo, deve ser capaz de escapar para evitar o desenvolvimento de pressão excessiva. A fim de rastrear reações de longo prazo na corrosão do ferro no limite do material de cimento, os pesquisadores realizaram investigações usando análises químicas e espectroscopia. Os resultados iniciais mostram que o cimento Portland com seu pH alto é mais eficaz do que o cimento de baixo teor alcalino. Mais experimentos estão planejados para lançar luz sobre esses processos de corrosão ainda pouco conhecidos.

Além disso, A equipe de Lothenbach caracterizou as fases na zona de interação de cimento e argila Opalinus que resultam da interação de minerais de argila com os constituintes do cimento, tal como uma fase de silicato de magnésio. Ainda não foi esclarecido de forma conclusiva se essas camadas intermediárias são formadas e podem contribuir para a vedação da camada protetora. Lothenbach está convencido de que descobertas desse tipo podem contribuir para o desenvolvimento de novos sistemas de materiais que são do interesse de toda a indústria da construção. Apesar das boas propriedades do material do cimento Portland, há uma busca crescente por alternativas que sejam mais amigáveis ​​ao meio ambiente e ajudem a economizar recursos naturais, que também pode ser usado para outros aplicativos que não em um repositório geológico profundo.