Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/1995 Ponente: D. Pedro Rivas, Licenciado en Geología, del CIEMAT Tema: Conferencia sobre la contribución de los sistemas naturales al diseño y seguridad del AGP (Almacenamiento Geológico Profundo de Residuos Radiactivos). Fecha: 16 de diciembre de 2014 Lugar: Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Resumen: En esta charla trataremos básicamente sobre el modelo de AGP en granito. Este modelo se basa en el concepto de barreras múltiples tales como el propio combustible, el contenedor metálico, la barrera de arcilla y la formación geológica. La exhaustiva investigación a distintas escalas realizada en todo el mundo, también en España, sobre los materiales constitutivos de las barreras, sobre las interacciones entre todos ellos y sobre su durabilidad, “adolecen de la limitación en la variable tiempo”. Por esta razón se ha promovido el estudio de los materiales, procesos e interacciones que se dan en los sistemas naturales durante tiempos geológicos y que con muy alta probabilidad también se darán en el AGP. Estos son los análogos que han contribuido al diseño del concepto de AGP, que avalan la experimentación y generan confianza en la seguridad a largo plazo del sistema en su conjunto.

1. Contribución de los
sistemas naturales
al diseño y
seguridad del AGP
16 Diciembre 2014
Pedro Rivas
Lcdo. CC Geológicas
UNIVERSIDAD POPULAR
CARMEN DE MICHELENA
TRES CANTOS

2. La utilización pacífica de la energía nuclear contribuye
al desarrollo y al bienestar social, pero genera
residuos que mantienen alta radiotoxicidad durante
mucho tiempo
¿ QUÉ HACER CON LOS RESIDUOS?
(Opción ciclo abierto del combustible nuclear)
ALMACENARLOS DE FORMA SEGURA
¿Es posible mantenerlos aislados tanto tiempo?
¿Dónde?
¿Cómo?

3. La Naturaleza ha generado y ha conservado estructuras
durante millones de años cuyo estudio nos permite
reconstruir la paleogeografía, habitat, y los procesos
que los han generado
Trilobites ~ 460 Ma
Planta fósil ~ 290 Ma
Pez fósil ~ 140 Ma

4. Además, los restos paleontológicos nos permiten
reconocer la evolución de las especies: extinción de
unas y aparición de otras
Mamífero fosilizado ~ 8 Ma Cráneo facial (homo sapiens
antecessor) ~ 795.000 a

5. De los restos arqueológicos aprendemos que el ser
humano, quizás sin proponérselo, hizo obras que
han perdurado durante miles de años:
Cueva de Altamira
(Santander) ~ 16.000 a
Cueva del Cogul
(Lérida) ~ 8.000 a

6. Estos restos arqueológicos nos muestran la
evolución de las capacidades de los humanos
Pirámide de Kefren
~ 5.000 a
Acueducto de Segovia
~ 1.800 a

7. Nuestra generación ha disfrutado de los beneficios
del progreso y tiene la responsabilidad moral y ética
de transmitir a las generaciones futuras un planeta
habitable. Debe almacenar de forma segura los
residuos radiactivos.
Cabo de
Gata
(Almería)

8. ¿Qué son los Análogos Naturales?
Son escenarios en los que se han
producido o se están produciendo
procesos semejantes a los que podrían
tener lugar durante el tiempo de actividad
del Almacenamiento Geológico Profundo
(AGP), sobre los materiales de dicho
Almacenamiento.

9. REQUISITOS DE LA ANALOGÍA
 Procesos bien definidos
 Buena semejanza química, mineralógica, litológica,
etc..
 Posibilidad de medir los parámetros implicados
 Posibilidad de establecer las escalas temporal y
espacial

10. APLICACIÓN DE LOS ANÁLOGOS
NATURALES
 Experimentos naturales
 Desarrollos instrumentales y metodológicos
 Adquisición de datos
 Indicadores del rango de valores de parámetros
 Indicadores de procesos
 Integración de procesos
 Construcción de modelos
 Verificación/Validación de modelos
 Generar confianza en el concepto de AGP

11. El almacenamiento geológico profundo es la opción más
razonable y fundamentada para mantener aislados los
residuos radiactivos de alta actividad y protegida la Biosfera
Yacimiento de uranio de
Cigar Lake (Canadá)
Mineralización de U
Arcilla
Roca huésped alterada
Areniscas
Cobertera glaciar
Roca metamórfica
Cobertera rica en cuarzo
-
Yacimiento

12. El almacenamiento geológico profundo es la opción más
razonable y fundamentada para mantener aislados los
residuos radiactivos de alta actividad y protegida la Biosfera
Yacimiento de uranio de
Cigar Lake (Canadá)
Mineralización de U
Arcilla
Roca huésped alterada
Areniscas
Cobertera glaciar
Roca metamórfica
Cobertera rica en cuarzo
-
Combustible gastado
Barrera de arcilla
Rellenos
Granito
Cobertera glaciar
-
-
Contenedor
Yacimiento AGP
Concepto de AGP

13. Basándose en la analogía con los yacimientos de uranio se
define el concepto de Almacenamiento Geológico Profundo
Laboratorio subterráneo de
Äspo (Suecia)

14. Concepto de Almacenamiento Geológico Profundo
en España (ENRESA)
400-700m

15. TIPOS DE ANÁLOGOS NATURALES
Se han estudiado “Análogos” de casi todos los
componentes y procesos que se esperan en un AGP:
 Radionucleidos: Análogos químicos
 Vitrificados: Vidrios riolíticos y/o basálticos
 Combustible Irradiado: Minerales de U(IV)
 Contenedor metálico: Minerales nativos - Piezas
arqueológicas
 Barrera de Arcilla: Bentonitas naturales
 Barrera Geológica: Formaciones graníticas,
arcillosas y salinas.
 Procesos geoquímicos
 AGP: Yacimientos de uranio

16. Combustible Gastado
Una tonelada de combustible gastado con un quemado de 33.000
MWd/tU contendrá:
 956 Kg de Uranio
 9,7 Kg de Plutonio
 0,75 Kg actínidos minoritarios (Am, Cm y Np)
 34,3 Kg de productos de fisión
El elemento combustible está constituido
por pastillas de UO2, enriquecido en 235U (2-4%)
Las pastillas se apilan dentro de vainas
de Zircaloy (barras combustibles).
Hasta 31/12/2011
el combustible
gastado a
almacenar:
11.000tU

17. Combustible Gastado:
generador de calor
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0 10000.0 100000.0
Tiempo (a)
Capsula / bentonita
Mitad bentonita
Bentonita /granito
1,52 m de granito
Temperatura(ºC)
Bentonita
Cápsula
Granito

18. Decaimiento de
la actividad del
combustible
gastado
Total
P. Fisión y Activación
R. Vida Larga
R. Vida Corta

19. Análogos del Combustible
Características generales del Uranio Natural
 Ubicuidad (tipos de rocas y condiciones P y T)
 Gran número de especies minerales (U4+, U6+)
 Isomorfismo (Th, Zr, Ca, Fe, TTRR, etc.)
 Amplio rango de estabilidad (T, P, condiciones geoquímicas)
 Sensibilidad a condiciones redox: U(IV) ↔ U(VI)
 Desintegración radiactiva U238 – Pb206 (18 hijos);
U235 – Pb207 (14 hijos)

20. Análogos del Combustible
x125
Pechblenda
Sección transversal de
una pastilla de
combustible
Uraninita/pechblenda
Composición: UO2+x + impurezas
Estructura cristalina: cúbica
Textura: microfisuración, alta superficie,
etc.

21. Dominios de estabilidad del UO2+x
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2
-4 0 0
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
UO2
(OH)3
-
P
H
2
= 1bar
UO2
(CO3
)2
2-
UO2
CO3
U O 2
2 +
U 4
O 9
UO2
(CO3
)3
4-
U O 2
Eh(mV)
p H
DATOS DEL AGUA DE
LA MINA DE URANIO
“LOS RATONES”
(CÁCERES)
Aguas profundas
100-500 m

22. Análogos del Combustible
URANINITA
A) Uraninita de OKLO (Gabón) 1900 Ma.
B) Uraninita de Cigar Lake (Canadá) 1800 Ma.
C) Uraninita de El Berrocal (España) 300 Ma.

23. Análogos del Combustible
Uraninita de OKLO
altamente fisurada.
Actínidos, TTRR, Zr, Th,
Pd, etc. han
permanecido.
Los que han salido han
sido por difusión en
estado sólido, no
disolución
100m
Galena
uraninita

24. Análogos del
Combustible
Pechblenda inalterada
Mina de Uranio
Chaménae (Francia)
70 Ma

25. Teoría de la disolución oxidativa del UO2+x
Procesos
involucrados
en la disolución
oxidativa
de la matriz del
combustible
gastado

26. Uraninita-Pechblenda Cofinita + Gummita
Analogía de la disolución oxidativa del UO2+x

27.  Uraninitas/Pechblendas permanecen inalteradas durante centenas y
miles de millones de años (Oklo, Cigar Lake, El Berrocal, Mina Fé, Mina
Ratones….)
 La autoirradiación no modifica la estructura ni la solubilidad de
forma significativa.
 Alta estabilidad en ambiente reductor. La concentración de uranio
en el agua de equilibrio con la uraninita es ≈ 2,38 µg/L.
 En Oklo los transuránidos han permanecido en la uraninita durante
más de 109 años.
 La alteración se produce por oxidación/disolución dando lugar a
fases secundarias.
Conclusiones relevantes del estudio de
análogos del combustible

28. Contenedor del Combustible gastado
= 4 Elementos de Combustible
Funciones
 Protección mecánica
 Vida útil ≥ 1000 años
 Evacuación del calor
 Impedir radiación
 Aislar el residuo
 Mantener amb. Reductor
 Capacidad retención RN
Características
 Resistencia mecánica
 Resistencia corrosión
 Alta cond. térmica
 Espesor suficiente
 Impermeabilidad
 Alto consumo de O2
 Generación prod.
corrosión

29. Dominios de estabilidad del Cu y Fe
Diagramas de Eh/pH de las especies de Cu y Fe

30. Análogos del Contenedor de Cu
Cañón de Kronan
Mar Báltico
1676
(300 años
enterrado)
Tasa de corrosión:
0,15µm/año

31. Análogos del Contenedor de Acero
Fe
Fe
Fe
Fe
Hierro Nativo en basalto de Bühl (Groenlandia)

32. Análogos del Contenedor de Acero
Yacimiento Cerro
de la Coja
(Córdoba) s I a.C.
Necrópolis Tartesa
Yacimiento Plaza
de Moros (Toledo)
s III a.C. Castro
Carpetano
Yacimiento de las Matillas (Alcalá
de Henares) s II d.C. Necrópolis
romana
Yacimiento de Boca (Trespaderne
Burgos) s IV a.C. Necrópolis
Visigoda

33. Análogo arqueológico del contenedor de acero
Clavo de 35 cm
preservado
después de
estar enterrado
1900 años
Escena de enterramiento de clavos

34. Conclusiones relevantes del estudio de los
Análogos del contenedor
 El cobre y el hierro nativo permanecen inalterados
durante millones de años en condiciones reductoras
reguladas por los componentes minerales de las rocas
 Las tasas de corrosión determinadas a partir de
análogos arqueológicos son:
Cu y aleaciones: 0,025 a 1,27 m/año
Fe y aleaciones: 0,1 a 10 m/año
La vida del contenedor de acero al carbono puede ser
igual o superior a los 10.000 años

35.  Disipación hacia el granito del calor generado por
los residuos
Barrera de Arcilla (bentonita)
FUNCIONES:
 Aislamiento hidráulico
 Retardo del transporte de radionucleidos
 Sellado y protección mecánica
 Regulación Geoquímica
 Alta capacidad de retención de RN

36. Barrera de Arcilla (Yacimiento de bentonita)
Cantera: Serrata de Níjar,
(Almería)
1. Alteración rocas volcánicas
2. Mioceno
3. Bentonita nombre genérico
4. Bentonita española FEBEX

37. Barrera de Arcilla: Componentes minerales
Esmectita 92%
Sulfato cálcico
Sílice
Carbonato cálcico
Na-K-Cl
Feldespatos
Composición mineral de la Bentonita española

38. Barrera de Arcilla (bentonita)
(Si7,78Al0,22)IV (Al2,77Fe3+
0,33Fe2+
0,02Mg0,81Ti0,02)6 O20(OH)4(Ca0,5Na0,08K0,11)1,19
Estructura de la
montmorillonita
• Alta T y alta
concentración de K
favorecen la illitización
Capa octaédrica
Capa tetraédrica
Capa tetraédrica

39. Bentonita
Granito
Barrera de Arcilla: Configuración
Bloques de bentonita compactada: optimización de las
propiedades naturales
Densidad de
la bentonita
compactada:
1,65 g/cm3

40. Montaje de la barrera de Arcilla: Laboratorio
Subterráneo de Grimsel (Suiza)

41. Barrera de Arcilla: Propiedades
0,1
1
10
100
1000
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Grado de saturación efectivo
Succión+patm(MPa)
Humectación 20 °C, 1,60
Humectación 20 °C, 1,75
Secado tras humectación 20 °C, 1,75
Humectación 40 °C, 1,65
H 1,60 20°C
S 1,75 20°C
H 1,75 20 °C
Trayectoria, densidad seca
(g/cm3)
H 1,65 40°C
• Baja Permeabilidad: 3·10-14 m/s
 Presión Hinchamiento: 7 MPa
 Alta Plasticidad:
L. Líquido: 102%
L. Plástico: 53%
• Capacidad de Succión
• Conduct. Térmica: 0.6-1.4 W/mK
 Superficie específica: 725 m2/g
 Capacidad Intercambio Catiónico:
104 meq/100g
Propiedades Físicas:
BARRERA MECÁNICA Y TÉRMICA:

42. Análogo de la Barrera de Arcilla
Durabilidad de la bentonita ante el efecto térmico del domo
volcánico subyacente (Morrón de Mateo, Cabo de Gata
(Almería) y el efecto salino del agua de mar.
No se han observado transformaciones a illitas

43. Análogo de la Barrera de Arcilla
Madera fósil de los árboles
de 1,5 Ma del bosque fósil
en Dunarobba (Italia)
Durabilidad y efecto conservador
de la arcilla

44. La montaña de sal de Cardona ~ 40 Ma
(Barcelona)
Análogo de la Barrera de Arcilla
Efecto protector de la cubierta arcillosa

45.  Las arcillas (bentonitas) son buenos aislantes
hidráulicos (Domo salino de Cardona)
 Mantienen condiciones físico-químicas idóneas para
el mantenimiento de materiales lábiles (Dunarobba)
 Tienen alta capacidad de retención de RN (Oklo, Cigar
Lake)
 Las esmectitas son estables en medios graníticos y en
sistemas hidrotermales
 La illitización no parece ser un proceso relevante en la
alteración de la barrera de arcilla
 La barrera de arcilla mantendrá sus funciones durante
la vida operativa de un AGP
Conclusiones relevantes de los estudios
de los Análogos de la Barrera de Arcilla

46. Barrera Geológica
Formaciones geológicas que podrían albergar un AGP:
•Granitos
•Arcillas
•Sales

47. Barrera Geológica
FUNCIONES
• Protección física del sistema
• Ambiente geoquímico idóneo
• Retardo en el transporte de solutos
REQUERIMIENTOS
 Mínima densidad de población
 Inexistencia de recursos económicos: minerales,
hidráulicos, etc…
 Muy baja probabilidad de actividad sísmica y/o tectónica
 Mínima fracturación
 Mínimos gradientes: hidráulico y geoquímico
 Sencillez del sistema

48. Análogo Natural de OKLO (Gabón)
 Yacimiento de uranio (2x103Tm U)
 Composición isotópica anómala
 En Oklo: 235U= 0,62% , en la Naturaleza 235U= 0,72%
 Detección anomalía en 1972
 Se detectan las zonas de reacciones nucleares
 Desde 1980 se estudia el yacimiento como análogo
natural

49. • Basamento cristalino (2,9-2,4x109 años)
• Sedimentación /Diagénesis (2,1x109 años)
• Levantamiento/Tectónica/Yacimiento (2x109
años)
• Reacciones de fisión/hidrotermalismo asociado
(1,9x109 años)
• Tectónica/Metamosfismo/Distensión/Intrusión
rocas básicas (0,7x109 años)
• Hidrotermalismo/Tectónica post-jurásica
(0,1x109 años)
• Alteración supergénica/Meteorización
(actualmente)
Historia Geológica del Yacimiento de Oklo

50. Análogo de la Barrera Geológica
Yacimiento de OKLO (Gabón)

51. Análogo de la Barrera Geológica
Sarcófago protegiendo uno de los reactores nucleares en el Yacimiento
de OKLO (Gabón)

52. Análogo de la Barrera Geológica OKLO
Reactor nuclear natural
 Actínidos y TTRR no movilizados
 Parcialmente migrados en tiempos
geológicos (10-20m): Nb, Mo, Tc, Ru,
Ag, In, Sn, Te, etc. Retenidos en
arcillas, oxi-hidróxidos de Fe,
zircones, apatitos y minerales
neoformados
 Migración rápida y algo más lejana:
Kr, Xe, Rb, Cs. Detectados en
inclusiones fluidas en las
proximidades de las zonas de
reacción

53. Análogos de Procesos en el AGP
GRANITO
EDZ
Agua Granítica
BENTONITA
Advección
Desintegración
radiactiva
CÁPSULA
Advección
• Hidratación de la barrera de bentonita
• Dilución y movimiento de sales hacia
la cápsula
• Saturación de la barrera de arcilla
(20-90 años)
• Consumo de O2 (Condic. Reductoras)
• Homogenización del agua intersticial
(100 años)
• Radiólisis y generación de agentes
oxidantes
• Precipitación de nuevas fases minerales
• Evaporación del agua por el calor
Agua bentonítica Interfase Bentonita-Cápsula
Interfase Granito-Bentonita
Transitorio de
hidratación t=0

54. Procesos en el AGP
GRANITO
EDZ
Agua Granítico-bentonítica
BENTONITA
CÁPSULA
DIFUSIÓN
DIFUSIÓN
Liberación
Prod. corrosión
•Difusión salina hacia el granito
•Equilibrio agua granítica/Agua
intersticial de la arcilla (100.000 años)
•Liberación de radionucleidos > 1000 años
Flujo
másico
•Agua intersticial bentonítico-granítica
con Fe en disolución
•Corrosión óxica y anóxica con formación
de minerales de hierro (magnetita, goetita)
•Generación de gases: H2,O2, CO2, CH4,
He, Xe, Kr
•Inicio de la sorción y migración de RN
sobre los prod de corrosión y bentonita
Interfase Bentonita-Cápsula
Interfase Granito-Bentonita
Barrera de arcilla
saturada t>100 años

55. Mecanismos de
sorción y retardo
en el transporte
de masa
DIFUSIÓN EN POROS
CERRADOS
FILTRACIÓN MOLECULAR EXCLUSIÓN
ANIÓNICA
ADSORCIÓN FÍSICA
INTERCAMBIO IÓNICO
MINERALIZACIÓN
PRECIPITACIÓN

56. Procesos de Migración en el AGP

57. Análogos del Combustible
Pechblenda masiva ~ 70 Ma
Brecha de cuarzo
cementada por pechblenda
~ 70 Ma

58. Análogos de retención
Movilización retención de radionucleidos en ambiente
reductor
Uranio retenido por
materia orgánica
Alteración de monacita:
hidrolizado de torio

59. Análogo de la retención sobre los productos
de corrosión
U en óxidos
de Fe:
400 mg/Kg
U en agua
0,006 mg/l

60. Análogo de difusión en la matriz de la roca
Mina Fé (Salamanca)

61. Análogo de la movilización y retardo por
procesos redox
Frente de oxidación, Mina de Uranio Osamu Usumi (Brasil)
Solubilización
en condiciones
oxidantes y
precipitación en
condiciones
reducidas

62. Análogo de precipitación en ambiente
silicatado
Uranotilo (Ca)
Mina Fé (Salamanca)
Cuprosklodowskita
(Katanga)
Sklodowskita (Mg)
(Katanga)

63. Análogo de precipitación en
ambiente fosfatado
Autunita Haute-Vienne
(Francia)
Autunita (Don Benito, Badajoz)

64. Análogo Natural de El Berrocal: Especiación
del Uranio
S11
S12
S7 S1 S13
S15
S2
S14
S17
S18
S16
S10
S9S8 S6 S5 S4
S3
Arroyo de
La Tarica
Agua sulfatada cálcica
Agua bicarbonatada cálcica
DILUCIÓN
EVOLUCIÓN
MEZCLA
Agua
bicarbonatada cálcica
Agua bicarbonatada
cálcico-sódica
Galería de acceso a
la Mina de Uranio
S -- NUO CO2 3
UO (CO )2 3 2
2-
UO (CO )2 3 3
4-
U(OH)4
UO2
2+
UO (SO )2 4
[U]= 10ppb
[U]= 30-10ppb
[U]=<10ppb
[U]=<10ppb
[U]=109ppb

65. Procesos de Migración en el AGP
Pechblenda
Silicatos de uranilo
Fosfatos de uranilo
Uranio adsorbido
en arcillas
Líneas de flujo
Zona de alteración
Esquistos
Nivel freático
metros
Análogo Natural de
Koongarra (Australia)

66. Dosis anual máxima al individuo en el
escenario de referencia
Criterio de seguridad (CSN) 1E-04 Sv/año

67. Los Análogos Naturales contribuyen a
generar confianza en la seguridad del
concepto AGP