Quando Barbara Lothenbach porta avanti i suoi progetti di ricerca, sa che non vivrà per vedere il risultato finale:ciò su cui sta lavorando dovrebbe durare tra 100, 000 e un milione di anni. Il ricercatore del laboratorio "Concrete &Asphalt" dell'Empa sta studiando materiali a base di cemento, idonei allo smaltimento dei rifiuti radioattivi.

Secondo la legge sull'energia nucleare, depositi geologici profondi in Svizzera devono ricevere basse, scorie nucleari di media e alta attività in futuro. Per questo scopo, devono essere disponibili strati rocciosi stabili per racchiudere i contenitori dei rifiuti. Poiché gli scienziati dei materiali sanno, però, che nessun materiale è immutabile, deve essere selezionata una formazione rocciosa che sia geologicamente più stabile e densa possibile, nel corso di migliaia di anni. L'argilla Opalinus di 180 milioni di anni, che si estende in Svizzera tra Olten e Sciaffusa ad una profondità di 600 metri, Per esempio, ha dimostrato di essere una roccia ospitante adatta. Poiché ha una bassa conducibilità dell'acqua, ha ottime proprietà isolanti.

Solida roccia sigillata in montagna

Ma come reagiscono le strutture cristalline e i minerali argillosi dell'Argilla Opalinus con le barriere di sicurezza a base di cemento quando i segni del tempo portano a cambiamenti? La Cooperativa Nazionale per lo Smaltimento dei Rifiuti Radioattivi (Nagra) richiede dati su questo tema in modo che un deposito finale per le scorie nucleari possa essere incorporato come una roccia solida nella Terra per quanto riguarda la protezione e la sicurezza dell'ambiente.

Barbara Lothenbach e il suo team eseguono le analisi necessarie conducendo esperimenti in condizioni realistiche presso il laboratorio di roccia del Mont Terri a St. Ursanne, che è stato costruito in uno strato di argilla opalino. Insieme a partner internazionali e gruppi di ricerca svizzeri, come l'Università di Berna e l'Istituto Paul Scherrer (PSI), Vengono simulate le reazioni dei materiali cementizi e dell'argilla opalina circostante. I ricercatori stanno studiando e modellando lo sviluppo a lungo termine degli strati limite tra i sistemi di materiali molto diversi in approcci sperimentali della durata di diversi anni a temperature diverse tra 20 e 70 gradi Celsius.

Il ritorno di una conoscenza consolidata

Di particolare importanza qui è il pH fortemente alcalino del cemento, che nel cemento Portland convenzionale può raggiungere un pH di 13,5 o anche superiore. Per garantire che l'ambiente alcalino non attacchi i minerali argillosi della zona circostante, un nuovo sviluppo, il cosiddetto cemento “basso alcalino”, sembrava essere un buon candidato per durevole, barriere protettive cementizie. Con un pH di 12,2 o inferiore, ha una concentrazione di alcali più di dieci volte inferiore. Lothenbach e il suo team hanno quindi confrontato i tipi di cemento con diversi valori di pH utilizzando la modellazione termodinamica e l'analisi di diffrazione dei raggi X. È la prima volta che sono disponibili risultati a lungo termine che consentono di caratterizzare i tipi di cemento e la loro evoluzione in montagna. Si è scoperto che il cemento a basso contenuto di alcali è davvero più delicato sui minerali argillosi. Però, quando viene utilizzato il cemento Portland convenzionale, Nel tempo si formano composti chimici che portano a condizioni altrettanto favorevoli nella barriera di sicurezza. "Di conseguenza, il cemento Portland, più economico e consolidato, è tornato ad essere al centro dell'interesse, "dice Lothenbach.

Radioattività complessa

Inoltre, se i materiali a base di cemento devono impedire la dispersione di sostanze radioattive nell'ambiente, in nessun caso la reazione tra le scorie nucleari e il cemento deve pregiudicare le barriere di sicurezza dell'impianto di stoccaggio. I ricercatori dell'Empa hanno così studiato gli isotopi radioattivi presenti nelle scorie radioattive, come quelli dell'elemento selenio, negli studi di adsorbimento. I risultati mostrano che i composti del selenio vengono assorbiti dal cemento in grandi quantità. "Una barriera protettiva in cemento ritarda il rilascio di radioattività nella biosfera, poiché i minerali del cemento legano le sostanze radioattive e ne bloccano così la diffusione, " conclude Lothenbach.

Però, non tutti i processi che avvengono nella complessa interazione dei materiali che entrano in contatto tra loro possono essere valutati così facilmente, sottolinea il ricercatore. Sperava che lo sviluppo di nuovi cementi a basso contenuto di alcali offrisse vantaggi per la durata delle barriere di sicurezza. Però, i ricercatori hanno scoperto inconvenienti in altre proprietà:combinazione di modelli termodinamici e dati sperimentali, Il team di Lothenbach ha potuto vedere che tali tipi di cemento legano meno bene sostanze come lo ioduro radioattivo.

Corrosione pericolosa

È auspicabile uno strato isolante, che sia il più impermeabile possibile ma non a tenuta di gas. In un deposito geologico profondo, si possono produrre gas, Per esempio, dalla corrosione dei contenitori in acciaio chiusi, per cui si forma idrossido di ferro e viene rilasciato idrogeno. Tali gas, che vengono prodotti in piccole quantità nel tempo, devono poter sfuggire per evitare che si sviluppi una pressione eccessiva. Per tracciare le reazioni a lungo termine nella corrosione del ferro al confine con il materiale cementizio, i ricercatori hanno svolto indagini utilizzando analisi chimiche e spettroscopia. I primi risultati mostrano che il cemento Portland con il suo pH elevato è più efficace del cemento a basso contenuto di alcali. Sono ora in programma ulteriori esperimenti per far luce su questi processi di corrosione ancora poco conosciuti.

Inoltre, Il team di Lothenbach ha caratterizzato le fasi nella zona di interazione del cemento e dell'argilla Opalinus che risultano dall'interazione dei minerali argillosi con i costituenti del cemento, come una fase di silicato di magnesio. Non è stato ancora chiarito in modo conclusivo che tali strati intermedi si siano formati e potrebbero contribuire a sigillare lo strato protettivo. Lothenbach è convinto che scoperte di questo tipo possano contribuire allo sviluppo di nuovi sistemi di materiali che interessano l'intero settore edile. Perché nonostante le buone proprietà del materiale del cemento Portland, c'è una crescente ricerca di alternative che siano più rispettose dell'ambiente e aiutino a risparmiare risorse naturali, che potrebbe essere utilizzato anche per applicazioni diverse da un deposito geologico profondo.