Search

A non-invasive method based on X-ray imaging for measuring deformation and water transport in wetting and swelling bentonite samples is introduced. Sequential X-ray images taken of the samples were used to calculate the attenuation coefficient and deformation. These results, together with careful calibration, allowed finding the dry density and water content distributions and their temporal evolution in the wetting and swelling samples. A specific correction technique, based on regularly taking reference X-ray images of aluminum plates of varying thickness, was developed and used to take into account X-ray beam instabilities and thus to improve the accuracy of density analysis. Large deformation, present in the experiments, was measured with an improved version of a block-matching algorithm. The X-ray imaging method was used here to measure the axial swelling of compacted MX-80 bentonite samples in a tube when in contact with saline solution (0.1 M NaCl). This setup mimics a scenario where bentonite, planned to be used as a buffer material in a nuclear waste repository placed deep in the bedrock, swells into a rock fracture filled by groundwater. The method yielded potentially valuable data on hydro-mechanical behavior of bentonite, which may be used in developing and validating material models to be used in safety assessment of nuclear waste repository concepts. peerReviewed

Mikrobien aktiivisuus voi vaikuttaa sekä positiivisesti että negatiivisesti siihen, millainen ympäristövaikutus jätteiden maanalaisella loppusijoittamisella on. Tämän työn tavoitteena oli arvioida kuinka kaatopaikoilla ja käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskohteessa käytettävien/käytettäväksi suunniteltujen materiaalien (maa, bentoniitti) ominaisuudet vaikuttavat metanotrofien (MOB) ja sulfaatinpelkistäjien (SRM) aktiivisuuksiin. Lisäksi tavoitteena oli tunnistaa tekijöitä, joiden avulla kyseisiä mikrobiprosesseja voitaisiin ohjata haluttuun suuntaan. MOB:n aktiivisuus kaatopaikkojen pintamaassa pienentää niiden metaanipäästöjä. Tutkittujen pintamaa-ainesten osalta MOB:n aktiivisuus oli 10x korkeampi kompostipohjaisissa väliaikaisissa peitteissä kuin lopullisten pintarakenteiden epäorgaanisissa maa-aineksissa. Aktiivisuudet korreloivat maa-ainesten nitraattipitoisuuksien ja heterotrofien aktiivisuuksien kanssa, joista jälkimmäisellä oli yhteys maan orgaanisen aineksen (OM) pitoisuuteen. Työssä arvioitiin erilaisten menetelmien tehokkuutta MOB:n aktiivisuuden nostamiseksi valikoiduissa maanäytteissä. Kompostin lisääminen (22 m-%) osoittautui tehokkaimmaksi menetelmäksi, koska se paransi kaasujen kulkeutumista ja lisäsi ravinnepitoisuutta maa-aineksessa. SRM:t tuottavat sulfidia, joka voi syövyttää käytettyä ydinpolttoainetta sisältäviä kuparikapseleita. Tutkituista bentoniiteista vapautuvan vesiliukoisen OM:n osoitettiin ylläpitävän SRM:n ja muiden mikrobien aktiivisuutta simuloidussa tiiviin bentoniitin ja peruskallion rajapinnassa ja korkeimmat aktiivisuudet havaittiin koelaitteistoissa, joissa käytettiin bulgarialaista bentoniittia. Vesiliukoisen OM:n pitoisuus bentoniiteissa oli matala suhteessa orgaanisen hiilen kokonaispitoisuuteen, myös siitä huolimatta, että simuloidut loppusijoituskohteen olosuhteet hieman nostivat sitä (4 emissions. In the screened soils, the MOB activities were 10x higher in compost- based intermediate biocover soils than in mineral final cover soils. The activities correlated with the nitrate content and activity of heterotrophs in the soils, the latter of which was connected to soil organic matter (OM) content. The effect of different methods on increasing MOB activity in selected cover soils was assessed. An addition of compost to the soil (22 w-%) resulted in the greatest MOB activity increase due to facilitated diffusion of gases and increased nutrient content. In SNF repositories, SRM produce sulfide that can corrode copper canisters sealing the SNF. The water-soluble OM released by the studied bentonites sustained the growth of SRM and other microorganisms at the simulated interface of compacted bentonite and bedrock, and the highest activities were associated with the use of Bulgarian bentonite in the experimental setup. The water-soluble OM quantity of all the bentonites was shown to be low relative to the total organic carbon content, even after being slightly increased by the simulated repository conditions (e.g.

MiBe-hankeen ensimmäisenä vuonna on suunniteltu aktiivisesti MoToPro-hankkeen monieste-vuorovaikutuskoetta. Monitieteellinen koesuunnitelma on valmistunut MoToPro- hankkeiden yhteistyönä ja koe aloitetaan keväällä 2020, kun tarvittavat valmistelut on saatu loppuun. Uusi mikrobiologinen bentoniittikoe toteutetaan yhteisen vuorovaikutuskokeen osana, näin varmistetaan kokeiden luotettavuus ja monipuolinen analysointi. Kokeessa tutkitaan mikrobiyhteisöjen ja abioottisten reaktioiden kokonaisuutta reaktoreissa, joissa on mukana kupari, bentoniitti, kallioperä, loppusijoitustilan vesi, seoskaasu sekä ravinteita.Koska uusi mikrobiologinen bentoniittikoe on järkevintä aloittaa yhteisen moniestekokeen osana, MiBe-hankkeessa voitiin tutkia tarkemmin jo käynnissä olevan bentoniittikokeen näytteitä. Kokeen sekvensointitulokset osoittivat bentoniittien m ikrobiyhteisöjen olevan monimuotoisia ja muuttuvan erilaiseksi kuin näytteisiin lisättyjen vesien mikrobiomit olivat alun perin. Hapettomissa olosuhteissa aloitettujen bentoniittien mikrobiomeja hallitsivat rikkiyhdisteiden pelkistykseen kykenevät bakteerit. ltiölliset bakteerit olivat yleisiä bentoniiteissa, joiden vesi oli alun perin steriilisuodatettu, eli ne olivat todennäköisesti peräisin kuivasta bentoniitista. Hapellisissa olosuhteissa aloitettujen bentoniittikokeiden mikrobiomit olivat monimuotoisemmat kuin hapettomien kokeiden mikrobiomit. Hapellisissa kokeissa ei noussut esille selviä hallitsevia ryhmiä ja rikkiyhdisteiden pelkistykseen liittyviä bakteereja löydettiin vain satunnaisesti. Kahden vuoden koeaikana bentoniittien mikrobiomit eivät olleet muuttuneet oleellisesti missään näytteistä. Mikrobiyhteisöt, mukaan lukien arkeonit ja sienet, vaikuttivat olevan melko stabiilissa tilassa ja on todennäköistä, että aktiivisuutta on rajoittanut energialähteiden loppuminen. Kokeeseen alettiin lisäämään reilun kahden ja puolen vuoden jälkeen ravinteita, mikrobitoiminnan aktivoimiseksi ja jo viikon sisällä hapettomissa kokeissa havaittiin bentoniitin mustumista, joka indikoi mikrobitoiminnan voimistumista. Tarkoitus on jatkaa ravinteiden lisäämistä näytteisiin 3-4 kk välein, jotta mikrobitoiminta pysyy aktiivisena sekä tutkita kokeista mikrobitoiminnan vaikutuksia bentoniitin rakenteeseen, kemiaan ja mikrobiomeihin MiBe-hankkeen seuraavan tutkimusvuoden aikana.

MiBe-hankeen ensimmäisenä vuonna on suunniteltu aktiivisesti MoToPro-hankkeen monieste-vuorovaikutuskoetta. Monitieteellinen koesuunnitelma on valmistunut MoToPro- hankkeiden yhteistyönä ja koe aloitetaan keväällä 2020, kun tarvittavat valmistelut on saatu loppuun. Uusi mikrobiologinen bentoniittikoe toteutetaan yhteisen vuorovaikutuskokeen osana, näin varmistetaan kokeiden luotettavuus ja monipuolinen analysointi. Kokeessa tutkitaan mikrobiyhteisöjen ja abioottisten reaktioiden kokonaisuutta reaktoreissa, joissa on mukana kupari, bentoniitti, kallioperä, loppusijoitustilan vesi, seoskaasu sekä ravinteita.Koska uusi mikrobiologinen bentoniittikoe on järkevintä aloittaa yhteisen moniestekokeen osana, MiBe-hankkeessa voitiin tutkia tarkemmin jo käynnissä olevan bentoniittikokeen näytteitä. Kokeen sekvensointitulokset osoittivat bentoniittien m ikrobiyhteisöjen olevan monimuotoisia ja muuttuvan erilaiseksi kuin näytteisiin lisättyjen vesien mikrobiomit olivat alun perin. Hapettomissa olosuhteissa aloitettujen bentoniittien mikrobiomeja hallitsivat rikkiyhdisteiden pelkistykseen kykenevät bakteerit. ltiölliset bakteerit olivat yleisiä bentoniiteissa, joiden vesi oli alun perin steriilisuodatettu, eli ne olivat todennäköisesti peräisin kuivasta bentoniitista. Hapellisissa olosuhteissa aloitettujen bentoniittikokeiden mikrobiomit olivat monimuotoisemmat kuin hapettomien kokeiden mikrobiomit. Hapellisissa kokeissa ei noussut esille selviä hallitsevia ryhmiä ja rikkiyhdisteiden pelkistykseen liittyviä bakteereja löydettiin vain satunnaisesti. Kahden vuoden koeaikana bentoniittien mikrobiomit eivät olleet muuttuneet oleellisesti missään näytteistä. Mikrobiyhteisöt, mukaan lukien arkeonit ja sienet, vaikuttivat olevan melko stabiilissa tilassa ja on todennäköistä, että aktiivisuutta on rajoittanut energialähteiden loppuminen. Kokeeseen alettiin lisäämään reilun kahden ja puolen vuoden jälkeen ravinteita, mikrobitoiminnan aktivoimiseksi ja jo viikon sisällä hapettomissa kokeissa havaittiin bentoniitin mustumista, joka indikoi mikrobitoiminnan voimistumista. Tarkoitus on jatkaa ravinteiden lisäämistä näytteisiin 3-4 kk välein, jotta mikrobitoiminta pysyy aktiivisena sekä tutkita kokeista mikrobitoiminnan vaikutuksia bentoniitin rakenteeseen, kemiaan ja mikrobiomeihin MiBe-hankkeen seuraavan tutkimusvuoden aikana.

A non-invasive method for simultaneous measurement of the 3D displacement field and the water content distribution of a wetted solid material is developed. The method is based on comparison of X-ray tomographic images of a material sample in the reference state and in the wetted and deformed state. The deformation and water content analyses were successfully compared with numerical results for a cylindrical rubber test sample under axial compression, and with gravimetric results from axially wetted and sliced cylindrical bentonite samples, respectively. The methods were applied in a 4D study (three spatial dimensions and time) of wetting and deformation of purified swelling bentonite doped with glass tracer particles, and wetted with synthetic groundwater. The results obtained for bentonite samples are repeatable and appear qualitatively correct and plausible. They are useful e.g. in validating models involving transport of water and the resulting swelling deformation of bentonite. The method is potentially applicable also in other processes involving liquid transport and deformation such as wetting/swelling and drying/shrinking of heterogeneous materials. A prerequisite for the applicability of the method is that the material contains sufficient amount of local inhomogeneities visible and identifiable in successive tomographic images to facilitate deformation analysis, and that change in water content affects the total density enough to be observable in X-ray images. peerReviewed

Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millä reunaehdoilla aiemmin puhdistetulle bentoniitille kehitetyt kokeelliset menetelmät soveltuvat mikro- ja makrorakenteeltaan erilaisen MX-80-tyyppisen bentoniitin tutkimiseen. Edellä saatujen reunaehtojen rajoissa tehtävien mittausten avulla pyrittiin tutkimaan veden kulkeutumista ja siitä aiheutuvia muodonmuutoksia MX-80-tyyppisessä bentoniitissa. Tavoitteena oli myös, että saatua kokeellista dataa voidaan käyttää apuna laadittaessa MX-80-tyyppisen bentoniitin käyttäytymistä kuvaavia numeerisia malleja. Veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten tutkiminen MX-80:ssa perustui röntgenmikrotomografiaan. Röntgentomografiassa pyritään rekonstruoimaan tutkittavan näytteen vaimenemiskertoimesta kolmiulotteinen malli kaksiulotteisia röntgen- eli projektiokuvia apuna käyttäen. Tämän menetelmän toimivuus perustuu siihen, että MX-80-näytteen kastuessa sen tiheys - ja siten vaimenemiskertoimen arvo - alkaa lokaalisti muuttua. Röntgentomografialaitteiston ottamissa projektiokuvissa tämä näkyy kuvien harmaasävyarvojen muuttumisena. Näytteessä tapahtuvia muodonmuutoksia voidaan määrittää tutkimalla MX-80:ssa olevien inerttien partikkeleiden paikan muutoksia kuivan ja deformoituneen näytteen rekonstruktioiden välillä. Kaiken kaikkiaan mittaussarjoja tehtiin kolmelle eri MX-80-näytteelle, joiden kuivatiheys oli 1,6 g/cm3. Ensimmäinen röntgenmikrotomografialaitteistolla tehtävä mittaus eli skannaus suoritettiin ennen kastelun aloittamista. Kastelun aloittamisen jälkeen näyte skannattiin yhdeksän kertaa; viimeinen skannaus tehtiin 14 vuorokautta kastelun aloittamisesta. Näytteeseen imeytyneen veden määrä eri ajanhetkillä saatiin selville punnitsemalla näyte skannausten yhteydessä. Kyllästyneessä tilassa MX-80-näytteiden tiheys oli noin 2,16 g/cm3. Kokeelliset tulokset analysoitiin numeerisesti MATLAB-ohjelmistoa apuna käyttäen. Saatujen tulosten perusteella puhdistetulle bentoniitille kehitetyt kokeelliset menetelmät soveltuvat lähes sellaisenaan myös rakeisemman MX-80-tyyppisen bentoniitin tutkimiseen. Lisäksi eri näytteille saadut tulokset ovat hyvin lähellä toisiaan, minkä perusteella käytetyn menetelmän voidaan arvioida toimivan veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten mittaamiseen bentoniitissa. Referenssitulosten ja -menetelmien puutteesta johtuen tulosten epävarmuuden kvantitatiivinen analysointi on kuitenkin haastavaa. The main objective of this thesis was to study when the experimental methods developed for the refined bentonite can be used when studying MX-80-bentonite which has different micro- and macrostructure compared to the refined bentonite. By using these boundary conditions the other purpose of this work was to measure water transport and deformations in MX-80-bentonite. The third objective of this thesis was then to get experimental data for developing numerical models of MX-80-bentonite. Studying water transport and deformations in MX-80-bentonite was based on the X-ray micro tomography. The purpose of X-ray tomography is to reconstruct three dimensional model of the linear attenuation coefficient of the object by using two dimensional radiographs. This is possible because when absorbing water both the density and the linear attenuation coefficient of MX-80-sample is locally changed. This can be seen by increasing grayscale values of the radiographs. Because there are also inert particles in MX-80-bentonite it is possible to calculate deformations of samples by comparing locations of these particles in reference reconstruction and in deformed reconstruction. All in all there were three MX-80-samples with dry density 1,6 g/cm3. The first measurement was done before wetting was started. After the wetting was started the sample was scanned nine times so that the last scanning was 14 days after the beginning of wetting. The amount of absorbed water was determined by weighting the sample before and after scanning. When the sample was saturated its density was about 2,16 g/cm3. After that the data was analyzed numerically by using MATLAB. It turned out X-ray micro tomography methods developed for the refined bentonite can be used almost unchanged also for MX-80-bentonite. Furthermore, the results for three different samples were so similar that it can be estimated the methods used in this thesis were valid. Nevertheless, the lack of reference results and methods makes the quantitative analysis of uncertainty of results challenging.

A non-invasive method for measuring the three-dimensional displacement field and liquid content distribution in a wetting and swelling material using X-ray tomographic imaging is introduced. The method is demonstrated here in monitoring the evolution of 3D deformation and water content distributions in cylindrical samples of swelling clay material wetted in a constant total volume. The measurements were carried out using a high-resolution microtomographic device (SkyScan 1172) and image voxel size 24 µm. The results obtained are repeatable and appear qualitatively correct and plausible. They are useful e.g. in validating models involving transport of water and the resulting deformation of swelling materials. The method is potentially applicable also in other materials and processes involving liquid transport and deformation. nonPeerReviewed

Tämän tutkielman tärkeimpänä tavoitteena oli kehittää menetelmä veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten mittaamiseksi bentoniittinäytteissä röntgentomografialla. Menetelmällä voitaisiin mitata ja kerätä arvokasta kokeellista dataa ydinjätteen loppusijoituksessa käytettävän bentoniittipuskurin toimintaa kuvaavien mallien kehittämiseksi ja testaamiseksi. Röntgentomografialla näytteestä saadaan kolmiulotteinen tomografiakuva, missä kuvavokselin harmaasävyarvo riippuu materiaaleista, ja niiden tiheyksistä. Bentoniittinäytteen kastuessa veden osatiheyden kasvu kasvattaa harmaasävyarvoja, jolloin kastuneen ja kuivan näytteen välinen erotuskuva voidaan kalibroida vastaamaan kolmiulotteista kosteuspitoisuusjakaumaa, mikäli näytteen kokonaisvesimäärä tiedetään. Bentoniitissa tapahtuu yleensä muodonmuutoksia kastumisen aikana, jolloin nämä täytyy mitata ja huomioida kosteuspitoisuuden määrityksessä. Bentoniittinäytteitä (12 kpl, halk. 17 mm, kork. 10 mm, kuivatiheydet 1,2 ja 1,5 g/cm3) kasteltiin vakiotilavuudessa näytteen alapinnan kautta (halk. 6 mm sintteri) keinotekoisella pohjavedellä muutamilla eri kastelupaineilla (0...8 bar). Kukin näyte kuvattiin röntgenmikrotomografialla noin 10 kertaa sopivin välein, pääosin kahden viikon aikana. Näytteenpidikkeitä myös punnittiin, jolloin näytteeseen imeytyneen veden kokonaismassa tiedettiin. Bentoniittiin sekoitettiin mikrolasikuulia merkkipartikkeleiksi, jolloin muodonmuutokset voitiin mitata yksinkertaista translaatioalgoritmia käyttäen. Menetelmän huomattiin olevan herkkä kuvissa oleville häiriöille, joita syntyi todennäköisesti epästabiilin röntgenlähteen vuoksi. Kun stabiloitumiseen käytettävää aikaa kasvatettiin, häiriöt vähenivät huomattavasti. Mitatut muodonmuutokset olivat pieniä ja vaikuttivat silmämääräisesti hyviltä, mutta translaatioalgoritmin riittävästä tarkkuudesta ei saatu varmuutta. Menetelmä vaikuttaa muutoin toimivalta bentoniittinäytteiden kosteuspitoisuuden määrittämiseen, röntgenlähteen stabiloitumista ja menetelmän tarkkuutta olisi kuitenkin syytä tutkia lisää.