Gas Permeability of Bentonite Samples of the FEBEX Dismantling Project (FEBEX-DP)

Abstract

The FEBEX in situ test simulated the engineered barrier of a nuclear waste repository and was in operation for 18 years under natural conditions. The barrier was composed of blocks of compacted FEBEX bentonite and a heater simulated the waste container. The gas permeability of bentonite samples taken at different positions around the heater during the final dismantling of the experiment was measured. These samples had initial dry density between 1.51 and 1.64 g/cm3 and water contents between 19.5 and 29.0%. Some of these samples were drilled between two blocks, therefore they had an interface along. The aim of the tests was to check: 1) the influence on gas permeability of the physical state of the samples (water content, dry density), 2) the effect of injection and confining pressures on gas permeability, 3) the change of gas transport properties with respect to the untretated, reference FEBEX bentonite and 4) the role of interfaces on gas transport.

The gas permeability of the samples depended on water content and dry density, decreasing with the increase of both. These two variables changed across the barrier as a function of the distance to the heat and water sources, i.e. the heater and the granite. Thus, the gas permeability of the samples was also related to their position in the barrier, tending to be lower towards the granite, where the degree of saturation was higher. The gas permeability decreased with the accessible void ratio according to a power law, in the same way as expected for the FEBEX reference bentonite. Therefore, it seems that no changes on the gas transport properties of the bentonite took place during operation.

Samples with an interface drilled in the internal ring of the barrier had higher permeability than samples of similar accessible void ratio with no interface, and it was necessary to apply higher confining pressures to reduce or suppress gas flow in them. In contrast, wetter samples drilled along interfaces of the intermediate and external rings of the barrier (which had very low accessible void ratio, due to saturation), had permeabilities closer to that corresponding to the same accessible void ratio in the reference bentonite.

El ensayo in situ FEBEX estuvo en operación durante 18 años simulando a escala real la barrera de ingeniería en un almacenamiento de residuos radiactivos de alta actividad. La barrera estaba constituida por bloques de bentonita FEBEX compactada y un calentador simulaba el contenedor. Se ha medido la permeabilidad al gas de muestras de bentonita tomadas en diferentes puntos de la barrera durante el desmantelamiento final del ensayo. Las muestras tenían humedades entre 19,5 y 29,0%, densidades secas entre 1,51 y 1,64 g/cm3. Algunas muestras se obtuvieron perforando entre dos bloques adyacentes, por los que estaban atravesadas por una interfase. El objetivo de los ensayos ha sido comprobar: 1) la influencia del estado físico de la bentonita (densidad, humedad) en la permeabilidad al gas, 2) el efecto de las presiones de inyección y confinante en la permeabilidad al gas, 3) el posible cambio en las propiedades de transporte de gas con respecto a la bentonita FEBEX no tratada, y 4) el papel de las interfaces en el transporte de gas.

La permeabilidad al gas depende de la humedad y densidad seca de las muestras, disminuyendo con el aumento de ambas. Como estas dos variables mostraban cambios espaciales significativos en la barrera, la permeabilidad al gas mostró una clara dependencia de la posición de la barrera en la que la muestra se tomó, tendiendo a ser menor hacia la parte externa de la barrera, en la proximidad al granito, donde el grado de saturación era mayor. La permeabilidad al gas mostró una disminución con el índice de poros accesible de acuerdo a una ley potencial de la misma manera esperable para la bentonita FEBEX no tratada. Por tanto, parece que las condiciones de operación en la barrera mantenidas durante 18 años no afectaron la capacidad de transporte de gas de la bentonita.

Las muestras con interfase obtenidas cerca del calentador, donde la bentonita estaba más seca, mostraron permeabilidades más altas que muestras con el mismo índice de poros accesible pero sin interfase. Para reducir o suprimir el flujo de gas en muestras con interfase fue necesario aplicar mayores presiones confinantes. Por el contrario, las muestras con interfase tomadas en zonas más húmedas de la barrera mostraron el mismo comportamiento que muestras sin interfase equivalentes.