JOURNAL OF IBERIAN GEOLOGY

Servicio de Publicaciones de la Universidad Complutense de Madrid

Volumen 32 - Nº1  (Año 2006)

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Volume Contents  1 
 
Editorial  5  

Geological Disposal of Radioactive Wastes – Concept, Status and Trends - Almacenamiento Geológico de Residuos Radiactivos – Concepto, Situación y Tendencias  
CHAPMAN, Neil A.
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Palabras Clave: Geological disposal; Radioactive waste; Waste containment
Almacenamiento geológico; Residuos radiactivos; Contención de residuos
 
Resumen: Europe is close to implementing its first geological repositories for spent nuclear fuel. The European Commission has endorsed geological disposal as the favoured strategy for dealing with Europe’s long-lived radioactive wastes, pointing out that it is technically feasible now, and that can demonstrate the required guarantees of long-term isolation. This article reviews the origins and the scientific and technical basis of the concept of geological disposal, looking in particular at how isolation and containment are provided and the timescales over which containment is needed. It goes on to look at the status of geological disposal internationally and at some trends and issues which both implementers and regulators are addressing.
 
 Europa está a punto de poner en práctica sus primeros almacenamientos geológicos para el combustible nuclear gastado. La Comisión Europea ha respaldado el almacenamiento geológico como la mejor estrategia para hacer frente a los residuos radiactivos de larga vida. El almacenamiento geológico es técnicamente factible actualmente, y se pueden demostrar las garantías requeridas de aislamiento a largo plazo. El artículo revisa los orígenes y los fundamentos científicos y técnicos del concepto de almacenamiento geológico describiendo en particular los métodos utilizados para proporcionar el aislamiento y la contención en las escalas de tiempo en las que la contención es necesaria. Asimismo revisa la situación del almacenamiento geológico a nivel internacional y algunas de las tendencias y cuestiones que ejecutores y reguladores están planteando.

The study of Spanish clays for their use as sealing materials in nuclear waste repositories: 20 years of progress - El estudio de arcillas españolas para su utilización como material de sellado en almacenamientos de residuos radiactivos: 20 años de progreso  
VILLAR, M.V. | FERNÁNDEZ-SOLER, J.M. | DELGADO, A. | REYES, E. | LINARES, J. | JIMÉNEZ DE CISNEROS, C. | HUERTAS, F.J. | CABALLERO, E. | LEGUEY, S. | CUEVAS, J. | GARRALÓN, A. | FERNÁNDEZ, A.M. | PELAYO, M. | MARTÍN, P.L. | PÉREZ DEL VILLAR, L. | ASTUDILLO, J.
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Palabras Clave: Radioactive waste disposal; Bentonite barrier; Spanish clays; Montmorillonite; Saponite; Natural analogues.
Almacenamiento de residuos radiactivos; Barrera de bentonita; Arcillas españolas; Montmorillonita; Saponita; Análogos
 
Resumen: The paper summarises the studies that have been performed in Spain as regards the selection and characterisation of clays suitable for sealing and backfilling of radioactive waste repositories. This research began in the 80’s under the auspices of ENRESA, the Spanish agency for nuclear waste management, and started by a survey of apt clay deposits and suppliers. The characterisation of the clays and the criteria followed for their further selection were those already accepted by the international community: mineralogical purity, retention properties, plasticity, low permeability, high swelling pressure and thermal conductivity. These initial studies resulted in the selection of deposits from the Cabo de Gata region (Almería) and the Tertiary Basin of Madrid (Toledo), whose detailed characterisation was carried out by several laboratories. The Cortijo de Archidona deposit (Almería) was finally selected and the bentonite taken there has been the object of various research projects that have ended in this bentonite being one of the best characterised from the mineralogical, thermal, hydraulic, mechanical, geochemical and alterability points of view. Besides, and more recently, the behaviour of the bentonite under the conditions of a repository has been studied at laboratory and natural scale, and the long-term evolution of the barrier is being analysed by natural analogues studies in the Cabo de Gata area.
 
 El artículo resume los estudios que se han llevado a cabo en España para la selección y caracterización de arcillas aptas como material de sellado y relleno en almacenamientos de residuos radiactivos. La investigación comenzó en los años 80 bajo el patrocinio de ENRESA, la agencia española para la gestión de residuos nucleares, con la búsqueda de yacimientos de arcilla apropiados. El tipo de caracterización realizado y los criterios seguidos para la selección estaban ya aceptados por la comunidad internacional: pureza mineralógica, propiedades de retención, plasticidad, baja permeabilidad, elevada presión de hinchamiento y conductividad térmica. Estos estudios iniciales dieron lugar a la selección de yacimientos de la región de Cabo de Gata (Almería) y de la Cuenca Terciaria de Madrid (Toledo), cuya caracterización detallada fue realizada por varios laboratorios. Finalmente se seleccionó el yacimiento de Cortijo de Archidona (Almería), y la bentonita procedente de él ha sido objeto de varios proyectos de investigación que han hecho que esta bentonita sea una de las más intensamente caracterizadas en sus aspectos mineralógico, térmico, hidráulico, mecánico, geoquímico y de alterabilidad. Además, posteriormente se ha estudiado el comportamiento de esta bentonita en condiciones similares a las de un almacenamiento a escala de laboratorio y natural, y la posible evolución a largo plazo de la barrera se ha analizado mediante estudios de análogos naturales en la región de Cabo de Gata.

Overview of laboratory methods employed for obtaining diffusion coefficients in FEBEX compacted bentonite - Descripción de los métodos de laboratorio empleados para obtener coeficientes de difusión en bentonita compactada FEBEX    
GARCÍA-GUTIÉRREZ, M. | CORMENZANA, J.L. | MISSANA, T. | MINGARRO, M. | MOLINERO, J.
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Palabras Clave: FEBEX bentonite; Effective and apparent diffusion coefficient; Accessible porosity; Laboratory methods; Radionuclides.
Bentonita FEBEX; Coeficiente de difusión efectivo y aparente; Porosidad accesible; Métodos de laboratorio; Radionucleidos
 
Resumen: This paper gives an overview of the main experimental methodologies usually applied to obtain diffusion parameters in compacted clays and of the analytical solutions that can be used according to the experimental configuration, initial and boundary conditions. Each experimental method shows different advantages/limitations according to the type of element to be studied: neutral, anionic or cationic. Neutral species, such as tritium (HTO), do not interact with the solid and use all the porosity for diffusive transport; anionic elements, such as chloride, do not adsorb either but suffer anionic exclusion. Diffusion of cationic elements is retarded by sorption. In order to describe how determine the diffusion parameters (apparent, Da, and effective, De, diffusion coefficients and accessible porosity) examples of diffusion experiments of several radionuclides in the Spanish FEBEX bentonite will be used. Apparent diffusion coefficients were obtained for HTO, chloride, iodide, sulphate, caesium, uranium, strontium, selenium, rhenium and europium. Effective diffusion coefficients were determined for HTO, chloride, iodide, sulphate, caesium, uranium, strontium, selenium, technetium, sodium and calcium. The accessible porosity was determined for HTO, chloride, iodide and sulphate. In particular, the diffusion behaviour of HTO and Cl- was studied at different bentonite dry densities. Both apparent and effective diffusion coefficient showed an exponential decrease when the dry density increased, more pronounced in the case of Cl-. The accessible porosity for HTO was found to be identical to the total porosity. For chloride (and other anions) only a very small fraction of the total porosity is accessible for diffusion transport at the density used for compacted clay in a repository. A summary of all the results obtained with this clay will be given in the paper
 
 Este trabajo describe las principales metodologías empleadas para obtener parámetros de difusión en arcillas compactadas, así como las soluciones analíticas que pueden usarse dependiendo de la configuración experimental y de las condiciones iniciales y de interaccontorno. Cada método tiene diferentes ventajas y limitaciones, en función del tipo de elemento estudiado: neutro, aniónico o catiónico. Las especies neutras, como el tritio (HTO), no interactúan con el sólido y usan toda la porosidad para el transporte difusivo; los elementos aniónicos, como el cloro, tampoco se adsorben, pero sufren exclusión aniónica. La difusión de los elementos catiónicos se ve retardada por la existencia de sorción. Para describir como determinar los parámetros de difusión (coeficientes de difusión aparente, Da, efectivo, De, y porosidad accesible) se utilizan numerosos ejemplos de ensayos de difusión realizados con la bentonita española FEBEX. Se obtuvieron el coeficiente de difusión aparente del tritio, cloruro, yoduro, sulfato, cesio, uranio, estroncio, selenio, renio y europio. Se determinó el coeficiente de difusión efectivo del tritio, cloruro, yoduro, sulfato, cesio, uranio, estroncio, selenio, tecnecio, sodio y calcio. Asimismo, se obtuvo la porosidad accesible para el tritio, cloruro, yoduro y sulfato. En particular, el comportamiento frente a la difusión del HTO y Cl-, se estudió en función de la densidad seca de la bentonita. Tanto el coeficiente de difusión efectivo como el aparente muestran un descenso exponencial al aumentar la densidad seca, más pronunciado en el caso del Cl-. Se encontró, que la porosidad accesible para el HTO es igual a la porosidad total. En el caso del cloruro (y otros aniones) sólo una muy pequeña parte de la porosidad total, a la densidad de compactación utilizada para un almacenamiento, es accesible al transporte por difusión. En este trabajo se presenta un resumen de todos los resultados experimentales obtenidos con la bentonita FEBEX.

On radionuclide retention mechanisms in fractured geologic media - Mecanismos de retención de radionucleidos en medios geológicos    
MISSANA, T. | GARCÍA GUTIÉRREZ, M. | ALONSO, U. | MINGARRO, M.
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Palabras Clave: Radioactive waste repository; Radionuclides; Retention; Sorption; Precipitation; Diffusion; Transport; Crystalline rocks.
Almacenamiento de residuos radiactivos; Radionucleidos; Retención; Sorción; Precipitación; Difusión; Transporte; Rocas cristalinas.
 
Resumen: Radionuclide migration in crystalline rocks has been studied for many years because these geological systems present suitable properties to host a deep geological repository of radioactive waste. The performance assessment of a repository needs a detailed understanding of the processes that can affect the contaminant transport to bring them in mathematical models adequately. Retention processes occurring in the rock act as the most important safety function of these repositories so they deserve a special attention. In this work, the main retention mechanisms occurring in crystalline rocks will be described, as well as the most common laboratory methodologies to deduce values for the retention parameters. The degree of application to the performance assessment of these concepts and the new tendencies and experimental methodologies to study retention processes will be highlighted. Some examples will be illustrated by experiments carried out by our group at CIEMAT. 

Role of inorganic colloids generated in a high-level deep geological repository in the migration of radionuclides: Open questions - Incertidumbres asociadas al papel de los coloides generados en un almacenamiento geológico profundo de residuos de alta actividad en la migración de radionucleidos  
ALONSO, U. | MISSANA, T. | GECKEIS, H. | GARCÍA GUTIÉRREZ, M. | TURRERO, M.J. | MÖRI, R. | SCHÄFER, Th. | PATELLI, A. | RIGATO, V.
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Palabras Clave: Radioactive waste repository; Bentonite; Granite; Colloids; Generation; Mobility; Filtration.
Almacenamiento de residuos radiactivos; Bentonita; Granito; Coloides; Generación; Movilidad; Filtración.
 
Resumen: Do colloids contribute to the radionuclide (RN) transport in a high level radioactive waste repository (HLWR)? The fact is that, during the last decades, many theoretical and experimental studies, at laboratory and in-situ scale, have been devoted to give an answer to this question. However, many uncertainties still exist and as a result most performance assessment (PA) studies either treat such scenarios conservatively or do not include the influence of colloids in the calculations for evaluating the long-term behaviour of a HLWR, basically due to the lack of quantitative data. The aim of this paper is to review the studies carried out during the last years to elucidate the colloid contribution to the RN migration, paying special attention to the role of bentonite colloids, formed at the bentonite/host rock interface in a HLWR and considering an emplacement in crystalline rock. The main uncertainties and present research projects and future research strategies will be highlighted.
 
 Contribuyen los coloides al transporte de radionucleidos (RN) en un almacenamiento de residuos radiactivos de alta actividad? Lo cierto es que durante las últimas décadas multitud de estudios, tanto teóricos como experimentales, a escala de laboratorio e in-situ, se han dedicado a intentar dar una respuesta a esta pregunta. A pesar de los esfuerzos dedicados, existen todavía grandes incertidumbres y por ello, la mayoría de los estudios de evaluación de comportamiento (PA) de un almacenamiento no incluyen el efecto que los coloides pueden tener en el transporte de RN, básicamente por la escasez de datos cuantitativos al respecto. El objetivo de este trabajo es hacer una revisión de los distintos estudios llevados a cabo los últimos años para elucidar el papel que juegan los coloides en el transporte de RN, prestando particular atención a los coloides de bentonita, que pueden generarse en la interfaz bentonita/roca de un almacenamiento. Se destacarán las principales incertidumbres asociadas, y los estudios y proyectos que actualmente se están realizando, haciendo hincapié en las futuras estrategias de investigación en esta área.

Fault architecture and related distribution of physical properties in granitic massifs: geological and geophysical methodologies - Arquitectura de fallas y distribución de propiedades físicas relacionadas en macizos graníticos: metodologías geológicas y geofísicas    
MARTÍ, D. | ESCUDER VIRUETE, J. | CARBONELL, R. | FLECHA, I. | PÉREZ ESTAÚN, A.
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Palabras Clave: Fault zone; Fault zone architecture; Geostatistical modeling; Seismic velocities; Seismic tomography; Seismic anisotropy.
Zona de falla; Arquitectura de las zonas de falla; Modelado geostadístico; Velocidades sísmicas; Tomografía sísmica; Anisotropía sísmica.
 
Resumen: Geological and geophysical data acquired in several projects aimed to characterization of structures in granitic rocks, make possible to evaluate the efficiency and resolution of several geological and geophysical methodologies for their study. The analysis of the spatial distribution of fracture density in granitic bodies makes possible to identify fault damage zones as well as the central fault cores. Measures of Fracture Index in a granitic massif can be used to generate 3-D stochastic models and simulations, which provide an image of the architecture of fault zones and the related distribution of physical properties. Geostatistical methods are a tool to integrate geological and geophysical data in 3-D. Borehole and surface geophysical data provide additional constraints for fracture mapping of a granitic body. High resolution reflection seismic experiments together with azimut variable vertical seismic profiles acquired in borehole, as well as surface tomographic 3-D acquisition, have proved o be very efficient in resolving the fault sructure of granites.
 
 El desarrollo de varios proyectos para la caracterización de macizos graníticos nos ha permitido evaluar la capacidad de resolución y eficacia de diversas metodologías de trabajo geológicas y geofísicas. La distribución espacial de la densidad de fracturación en macizos graníticos permite identificar el núcleo de las zonas de falla y las áreas dañadas de su entorno. Medidas del índice de fracturación procedentes de la superficie y de los sondeos, pueden ser usadas para generar modelos 3-D estocásticos que proporcionan una imagen de la arquitectura de las zonas de falla y la distribución de propiedades físicas en el cuerpo granítico. Los métodos geoestadísticos proporcionan la posibilidad de integrar los datos geológicos y geofísicos para visualizar la distribución de fracturas en el macizo rocoso. Experimentos de sísmica de reflexión de alta resolución, junto con perfiles sísmicos verticales adquiridos en sondeos con azimut variable y experimentos tomográficos 3-D adquiridos en superficie, han demostrado ser metodologías válidas para resolver la estructura interior de los granitos.

Hydrogeochemical characteristics of deep groundwaters of the Hesperian Massif (Spain) - Características hidrogeoquímicas de las aguas subterráneas profundas del Macizo Hespérico (España)     
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Resumen: One of the principal tasks to evaluate the safety of a deep repository for spent nuclear fuel in crystalline rocks is to characterize the chemical composition of the groundwater and to determine the water-rock interaction processes that control it. The present work includes a synthesis of the results on the site investigations carried out in Spain on hydrogeochemical characterization of different rock types (granite and schist) up to 500 m depth. The sites investigated are ancient uranium mines located in the Central-Iberian Zone of the Hesperian Massif: (1) El Berrocal (Toledo) is a granite pluton with a high fracture density and strong hydraulic gradients conditioned by the topography, which acts as a recharge zone; (2) Los Ratones (Cáceres) is a granite pluton that acts as a discharge zone of the surrounding mountain range; and (3) Sageras–Mina Fe (Salamanca) is a highly fractured schistose rock in which the recharge comes from the infiltration in the surrounding mountains, and the discharge occurs in the Águeda and Yeltes rivers, bordering to the S-NW and the NE to the mine, respectively. The hydrogeochemical interpretations of the three sites show that Los Ratones is the most representative of prolonged water-rock interaction processes and old groundwaters. The deep waters (500 m depth) flowing through the fracture system at Los Ratones are diluted (< 500 µS/cm) and Na-HCO3 type. The pH value is about 7.8 ± 0.2 and the redox potential is reduced (-242 ± 62 mV), which minimizes the concentration of dissolved uranium (or other radioelements with similar behaviour) in the groundwater. The residence time was calculated from 14C. The data indicate an “age” of 1.6 x 104 years and, from the measurements of the noble gases in the water, a recharge mean temperature of 2-3ºC. The main water-rock reaction processes responsible of the groundwater characteristics in the three sites consist of alteration of silicates, dissolution/precipitation of carbonates and ionic exchange. In this work, a model that accounts these processes and considers each local flow system is proposed for El Berrocal and Los Ratones areas. The results obtained for the deep groundwaters of the Hesperian Massif are compared with the data of other lithologically similar locations of Europe, Canada and Japan 
 
Uno de los objetivos prioritarios para la evaluación de la seguridad de un almacenamiento geológico de residuos de alta actividad en rocas cristalinas es conocer la composición química del agua subterránea y determinar los procesos de interacción agua/roca que la controlan. Este trabajo trata de ofrecer una síntesis de los resultados de las investigaciones realizadas en España sobre caracterización hidrogeoquímica de diferentes tipos de roca (granito y esquisto) hasta una profundidad de 500 m. Las zonas sobre las que se ha investigado son antiguas minas de uranio localizadas en la Zona Centro-Ibérica del Macizo Hespérico: (1) El Berrocal (Toledo), un plutón granítico con una alta densidad de fracturación y fuertes gradientes hidráulicos condicionados en gran parte por la topografía, actúa como una zona de recarga; (2) Los Ratones (Cáceres), un plutón granítico que actúa como zona de descarga de las sierras colindantes; y (3) Sageras-Mina Fe (Salamanca), un área muy fracturada, de esquistos, donde la recarga procede de las precipitaciones en las zonas montañosas del entorno y la descarga se produce en los ríos Águeda y Yeltes, límites S-NW y NE de la mina, respectivamente. Las interpretaciones hidrogeoquímicas realizadas en las tres zonas de estudio indican que la zona de Los Ratones es la más representativa de procesos de interacción agua-roca largos y aguas subterráneas antiguas. El agua que circula por las fracturas a 500 m de profundidad en Los Ratones es diluida (<500 µS/cm) y de tipo bicarbonatada sódica. El pH está en torno a 7,8 ± 0,2 y el potencial redox es reducido ( 242 ± 62 mV), lo que implica una concentración muy baja de uranio disuelto (u otros radioelementos con comportamiento similar) en el agua subterránea. El tiempo de residencia de las aguas se calculó a partir de los análisis de 14C. Los datos sugieren una edad de 1,6 x 104 años y, de la medida de los gases nobles en el agua, se ha calculado una temperatura de recarga de 2-3 ºC. La alteración de silicatos, la disolución y precipitación de carbonatos y el intercambio iónico son los principales procesos responsables de las características de las aguas en las tres zonas de estudio. En este trabajo se presenta un modelo de funcionamiento hidrogeoquímico de las zonas de El Berrocal y Los Ratones, que considera los procesos mencionados teniendo en cuenta el sistema de flujo local. Los resultados obtenidos para las aguas subterráneas profundas del Macizo Hespérico se han comparado con los datos de otras localidades litológicamente similares de Europa, Canadá y Japón.

Multicomponent reactive transport modeling at the Ratones uranium mine, Cáceres (Spain) - Modelación de transporte reactivo multicomponente en la mina de uranio Los Ratones, Cáceres (España)   
MARCUELLO, A. | GÓMEZ, P. | CARRERA, J. | AYORA, C.
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Resumen: Flooding of abandoned mines may have a major impact in groundwater quality. Predicting the long term evolution of the water quality is, therefore, a relevant matter for environmental management. The Ratones uranium mine was abandoned and flooded in 1974. Due to its reducing underground environment uranium concentration is very low, although some points show high concentration in Fe and As. Within the works prior to a remediation strategy, reactive transport modelling were performed of the mine and surrounding groundwater system. The results of the calculations were compared with analyses of groundwater samples collected in selected points. Modelling based on water-rock reactions taking place only in the mine galleries indicates the rapid exhaustion of dissolved oxygen and predicts solute concentrations that are much lower than those measured in the boreholes. In contrast, modelling that includes weathering processes taking place in the unsaturated zone of the surrounding rock indicates high dissolution of minerals (even if present in small amounts) and concentrations of solutes and values of pH and redox potential that better match the measured values. Therefore, current models based only on water-rock reactions in the walls of the mine galleries may clearly underestimate the impact of mineralization in groundwater, and processes taking place in the shallow surrounding rock must also be considered 
 
La inundación de minas abandonadas puede dar lugar a impactos importantes en la calidad del agua subterránea. Por lo tanto, predecir la evolución de la calidad del agua es un tema clave para la gestión medioambiental. La mina Los Ratones es una mina de uranio subterránea, que fue abandonada e inundada en 1974. Gracias al ambiente reductor del subsuelo, la concentración de uranio en el agua es muy baja, pero algunos puntos muestran concentraciones importantes de hierro y arsénico. En el marco de los trabajos previos a una estrategia de remedio, se ha realizado un modelo de transporte de solutos reactivos, que comprende la mina y su entorno. Los resultados de los cálculos se han comparado con los análisis de aguas subterráneas recogidas en puntos seleccionados. Según los cálculos, las reacciones entre el agua y la roca que tienen lugar en las galerías de la mina llevan a un agotamiento rápido del oxígeno, las reacciones apenas progresan y las concentraciones de solutos resultantes son muy inferiores a las medidas en los sondeos. Por el contrario, las reacciones de meteorización que tienen lugar en la zona no saturada del granito encajante producen una disolución mineral importante y las concentraciones de solutos, el pH y el Eh resultantes son muy semejantes a los medidos. Por lo tanto, los modelos que se están usando comúnmente, y que están basados en las reacciones que tienen lugar en las galerías inundadas subestiman claramente el impacto de las mineralizaciones en el agua subterránea. Estos modelos deberían considerar también los procesos que tienen lugar en la superficie de la roca encajante.