Raudan reaktiot käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusolosuhteissa

Suomen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuden kannalta on merkittävää, että loppusijoitustilan hapetus-pelkistysolosuhteet ovat pelkistävät. Jos kuparikapseli rikkoutuu hyvin pitkän ajan kuluttua, sen sisällä oleva rautametalli auttaa ylläpitämään pelkistäviä olosuhteita siitä huolimatta, että säteilyn aiheuttama veden radiolyysi alkaa tuottaa hapettimia. Tällöin polttoainematriisi ja monet haitalliset radionuklidit esiintyvät niukkaliukoisissa muodoissaan. Liuoksen vesikemia voi vaikuttaa huomattavasti rautapinnan passivoitumis- ja pelkistysreaktioiden luonteeseen. Jotkut liuosolosuhteet saattavat edistää raudan syöpymistä, kun taas toiset saattavat passivoida pinnan. Hapettomissa olosuhteissa hiiliteräs korrodoituu vesiliuoksessa muodostaen vetyä ja mm. ferrohydroksidia. Veden sisältämä karbonaatti, nitraatti, ammoniakki tai vetykaasu 1-100 barin paineessa eivät vaikuta korroosionopeuteen. Sen sijaan ionivahvuuden ja sulfaattipitoisuuden kasvu lisää korroosionopeutta. Rautapinnalle muodostuu reaktiotuotekerroksia, joiden rakenne on todennäköisesti huokoinen. Korroosiotuotekerroksen kehittyminen hidastaa korroosiota asteittain. Pistekorroosio-prosessi edellyttää riittävää happipitoisuutta ja se riippuu myös liuoskemiasta. Raudan korroosio bentoniitin huokosvesiympäristössä johtaa monimutkaiseen kemialliseen ja mineralogiseen kehitykseen. Käynnistetty raudan, bentoniitin ja pohjaveden reaktioita kartoittava pitkäaikaiskoe edistää niiden ilmiöiden ymmärtämistä, joita loppusijoitustilassa tulee tapahtumaan. Kokeen termodynaaminen mallinnus osoitti raudan syöpymisen johtavan vedyn, magnetiitin, pyriitin, kalsiumferriitin tai troiliitin muodostumiseen syöpymisen syvyyden mukaan. Reaktioiden vuoksi pH kasvoi ja redox-potentiaali laski.