Caracterización termo-hidro-mecánica y geoquímica de materiales de confinamiento en almacenamientos de residuos radiactivos

Convenio ENRESA/CIEMAT

2022-2026

Colaboración entre ENRESA y CIEMAT con el objeto de desarrollar un proyecto de investigación sobre la caracterización y evolución de las propiedades térmicas, mecánicas, hidráulicas y geoquímicas de materiales utilizados como barrera de ingeniería de instalaciones relacionadas con el almacenamiento de residuos radiactivos de alta actividad. Dentro de esta colaboración se han realizado trabajos relacionados con los siguientes proyectos/actividades:

• Estudio de los procesos que tienen lugar en la interfase metal/bentonita (en conexión con el proyecto EURAD-ACED)
• Estudio en ensayos de laboratorio del comportamiento hidro-mecánico, mineralógico y geoquímico de los materiales de barrera bajo temperaturas superiores a 100°C (en conexión con el proyecto EURAD-HITEC)
• Estudio del transporte de gas en materiales de barrera (en conexión con el proyecto EURAD-GAS)
• Participación en ensayos a gran escala llevados a cabo en el laboratorio subterráneo de Mont Terri (e.g. HE-E, SANDWICH)
• Estudio en ensayos de laboratorio del comportamiento a largo de plazo de la bentonita en condiciones del almacenamiento y las repercusiones sobre su microestructura y su capacidad de homogeneización

https://www.ciemat.es/cargarAplicacionNoticias.do?identificador=2519&idArea=-1

Influence of temperature on clay-based material behaviour

Commission of the European Communities, Euratom research and training programme 2014-2018 grant agreement No 847593

2019-2023

https://www.ejp-eurad.eu/implementation/influence-temperature-clay-based-material-behaviour-hitec

La mayoría de los conceptos de almacenamiento geológico de residuos radiactivos consideran que la temperatura en la superficie de los contenedores debería estar por debajo de 100°C. Sin embargo las agencias de gestión de residuos son conscientes de que la posibilidad de tolerar una mayor temperatura manteniendo un funcionamiento adecuado tendría considerables ventajas (tiempos más cortos de almacenamiento en superficie, empaquetado más eficaz, menos contenedores y operaciones de transporte, instalaciones más pequeñas, etc.). En este contexto el proyecto europeo EURAD incluye un paquete de trabajo dedicado a la influencia de la temperatura en el comportamiento de materiales arcillosos (HITEC), en el que se evalúa si es posible elevar los límites de temperatura máxima (100-150°C) sin que las funciones del material de sellado se vean comprometidas. En el marco de este proyecto el Grupo está llevando a cabo las siguientes actividades:

• Determinación de las curvas de retención de materiales de sellado a alta temperatura con foco en el rango de succiones bajas (Fig. 1).
• Realización de ensayos termo-hidráulicos a alta temperatura, monitorizando la evolución temporal de presiones, humedad relativa, temperatura y ritmo de hidratación. Esta actividad dará apoyo al trabajo de modelización de la UPC.
• Evaluación de las modificaciones temporales inducidas por el gradiente térmico, y en particular por las elevadas temperaturas, de las propiedades físico-químicas, geoquímicas y mineralógicas de la bentonita.

El Grupo está también al cargo de la coordinación del informe sobre el Estado del Arte.

Fig. 1. Equipo para la determinación de curvas de retención de agua a altas temperaturas.

Villar, M.V., Armand, G., Conil, N., de Lesquen, Ch., Herold, Ph., Simo, E., Mayor, J.C., Dizier, A., Li, X., Chen, G., Leupin, O., Niskanen, M., Bailey, M., Thompson, S., Svensson, D., Sellin, P., Hausmannova, L. 2020. D7.1 HITEC. Initial State-of-the-Art on THM behaviour of i) Buffer clay materials and of ii) Host clay materials. Deliverable D7.1 HITEC. EURAD Project, Horizon 2020 No 847593. 240 pp.

Mechanistic understanding of gas transport in clay materials

Commission of the European Communities, Euratom research and training programme 2014-2018 grant agreement No 847593.

2019-2024

En diversos conceptos de almacenamiento, la capacidad de transporte de gas conteniendo radionucleidos hasta la biosfera es un tema importante. Los experimentos en el proyecto FORGE revelaron complejos mecanismos y resaltaron la importancia del control mecánico que ejerce el material poroso sobre el transporte de gas. Cómo puede migrar el gas, qué radionucleidos están asociados con él y qué perturbaciones inducidas por el gas podrían afectar la integridad y el rendimiento de la barrera, son cuestiones que deben responderse.

En este contexto, el proyecto europeo EURAD incluye un paquete de trabajo dedicado a la “Comprensión mecanicista del transporte de gas en materiales arcillosos (GAS)”, que proporcionará datos y desarrollará modelos a nivel de proceso para mejorar la comprensión mecanicista de los procesos de transporte en materiales arcillosos, tanto naturales como artificiales, incluyendo los acoplamientos con el comportamiento mecánico y el impacto en las propiedades de la arcilla. En particular, tiene como objetivo determinar para cada régimen de transporte de gas identificado, las condiciones bajo las cuales ese régimen es posible; tanto en materiales arcillosos representativos de la roca huésped, como en los componentes del EBS.

• Adaptar los aparatos de permeabilidad a los gases para incluir la medida de RH/T en el flujo de gas.
• Realizar ensayos en celdas con altas tasas de transporte de gas, en muestras compactadas saturadas de agua de arcilla española EBS, para diferentes condiciones de contorno.
• Determinar la presión del gas de ruptura de la arcilla española EBS, en celdas isocóricas, para varias densidades secas.
• Identificar las condiciones bajo las cuales son posibles diferentes regímenes de transporte de gas y evaluar las modificaciones inducidas en el desempeño de la barrera de bentonita por el transporte de gas, si las hubiera. Esta actividad apoyará el trabajo de modelado de la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya).

https://www.ejp-eurad.eu/implementation/mechanistic-understanding-gas-transport-clay-materials-gas

Bentonite Mechanical Evolution

Commission of the European Communities, Euratom research and training programme 2014-2018 grant agreement No 745942

2017-2021

https://www.beacon-h2020.eu/

La capacidad de sellado es esencial para las barreras arcillosas de ingeniería en todos los conceptos de almacenamiento geológico de residuos radiactivos. El objetivo general del proyecto BEACON es desarrollar y verificar las herramientas necesarias para evaluar las funciones mecánicas de la barrera de ingeniería una vez instalada y la capacidad de sellado resultante. Requerirá una comprensión más detallada de las propiedades de los materiales, de los procesos fundamentales que conducen a su homogeneización y del papel del efecto escala, así como de la mejora de la modelización numérica. La barrera puede ser inicialmente inhomogénea, como sucede cuando se emplean pellets y bloques de bentonita para construir una misma barrera (Fig. 2), o hacerse inhomogénea con el tiempo, como resultado de los huecos que pueda haber inicialmente en el sistema, del efecto del gradiente térmico o de una hidratación inhomogénea. El trabajo de CIEMAT se centra en la comprensión conceptual de la evolución de la fábrica y microestructura de la bentonita al hidratarse y de los factores que la afectan. Con este objetivo se han diseñado y puesto en marcha diferentes tipos de ensayos:

• Ensayos de hidratación en celdas isocóricas para analizar la evolución de la fábrica y microestructura de una barrera compuesta por bloques y pellets, así como de la presión desarrollada (Fig. 3).
• Ensayos similares a los anteriores pero realizados en celdas transparentes que permiten el seguimiento visual de la evolución y el tratamiento de imágenes (foto cabecera).
• Ensayos de hidratación en celda de grandes dimensiones instrumentadas que permite el uso simultáneo de pellets y bloques y la medida de la evolución de parámetros como humedad relativa, presiones laterales, entrada de agua y presión de poro (Fig. 4).

Fig. 2. Diseño conceptual de una barrera de ingeniería compuesta de bloques y pellets de bentonita (www.nagra.ch).

Fig. 3. Aspecto de diversas muestras constituidas por pellets de bentonita (abajo) y bloques (arriba) después de diferentes periodos de hidratación bajo condiciones de volumen constante. 

Fig. 4. Celda de hidratación para muestras constituidas por bloques y pellets de bentonita con medida de entrada de agua, presión lateral, humedad relativa y presión de poro. 

• Villar, M.V., Iglesias, R.J., Gutiérrez-Álvarez, C., Carbonell, B., Real, E., Brea, N. 2022. Laboratory tests on bentonite homogenisation performed by CIEMAT: Saturation of block/pellets systems (Project BEACON). Informes Técnicos CIEMAT 1509. Madrid, 110 pp. https://www.ciemat.es/portal.do?NM=3&IDM=223
• Villar, M.V., Gutiérrez-Álvarez, C., Campos, G. 2022. Laboratory tests on bentonite homogenisation performed by CIEMAT: Gap filling (Project BEACON). Informes Técnicos CIEMAT 1510. Madrid, 72 pp. https://www.ciemat.es/portal.do?NM=3&IDM=223

Experimental and modelling study of MINeralogical ALteration of BENtonites

Contrato de prestación de servicios de investigación CIEMAT y AMPHOS 21 CONSULTING, S.L.

2016-2024

Acuerdo entre CIEMAT y Amphos 21 para acometer un estudio experimental y teórico de la alteración mineralógica de la bentonita, mediante la realización de ensayos a largo plazo (entre 1 y 5 años) en celdas termo-hidráulicas y su modelización termo-hidráulica y geoquímica.

Fig. 5: Celdas termo-hidráulicas para el proyecto Minalben.

• Villar, M.V., Cuevas, J., Melón, A.M., Gutiérrez-Álvarez, C., Ruiz, A.I., Ortega, A., Iglesias, R.J., González, A.E., Brea, N., Fernández, R., Real, E. 2021. Project Minalben. Report on postmortem analyses of samples from cells running for 2.5 years (C3, C4 and C5). Technical Report CIEMAT/DMA/2G219/1/21. Madrid, 86 pp.

• Villar, M.V., Gutiérrez-Álvarez, C., Iglesias, R.J., Melón, A.M., Martín, P.L., Barcala, J.M., Cuevas, J., Ruiz, A.I, Ortega, A., Fernández, R. 2019. Project Minalben. Final report on dismantling and postmortem analysis of cells C1 and C2. Technical Report CIEMAT/DMA/2G219/1/19. Madrid, 89 pp.

Caracterización termo-hidro-mecánica y geoquímica de materiales empleados en almacenamientos de residuos radiactivos

Convenio Marco CIEMAT /ENRESA 2/6/2004. Anexo XLII

2016-2020

Colaboración entre ENRESA y CIEMAT con el objeto de desarrollar un proyecto de investigación sobre la caracterización y evolución de las propiedades térmicas, mecánicas, hidráulicas y geoquímicas de materiales utilizados como barrera de ingeniería o como sustrato geológico de instalaciones relacionadas con el almacenamiento de residuos radiactivos, tanto de baja como de alta actividad, profundizando en la comprensión de los procesos que tienen lugar en estos materiales. Dentro de esta colaboración se han realizado trabajos relacionados con los siguientes proyectos/actividades:

• ATC – sustrato geológico.
• FEBEX-DP: caracterización ampliada respecto a lo considerado por el consorcio FEBEX-DP descrito más abajo.
• Estudio en ensayos de laboratorio del comportamiento a largo de plazo de la bentonita en condiciones del almacenamiento (en relación con el proyecto BEACON) y colaboración en proyectos llevados a cabo en el laboratorio subterráneo de Mont Terri (HE-E, SANDWICH).
• Trabajos en argilitas utilizadas como roca almacén (Opalinus, Ypresian) en diferentes laboratorios subterráneos europeos.

FEBEX-DP. Grimsel Test Site – Investigations within the Phase VI Programme

FEBEX-DP Consortium / NAGRA

2014-2017

http://www.grimsel.com/gts-phase-vi/febex-dp/febex-dp-introduction

Como continuación del proyecto FEBEXe que se describe más abajo, se formó un nuevo consorcio para encargarse del desmantelamiento final del ensayo FEBEX in situ (Fig. 23, Fig. 16), que se llevó a cabo en 2015 tras 18 años de operación, y del análisis post mórtem de los diferentes elementos e interpretación y modelización del experimento. Además de los miembros del FEBEXe (SKB, CIEMAT, POSIVA and NAGRA), otros seis socios se unieron al consorcio: NDRA, BGR, Obayashi, RWM, SURAO, US-DOE/LBNL.

El Grupo coordinó los trabajos de caracterización física de la bentonita realizados en el mismo laboratorio subterráneo (Villar et al. 2016, Fig. 6, Fig. 7) y de la caracterización THM de la bentonita realizada en diferentes laboratorios seleccionados por los socios (Villar 2017, Fig. 8).

Fig. 6. Obtención de muestras mediante perforación (izquierda) y laboratorio para determinaciones in situ de humedad y densidad seca (derecha). 

Fig. 7. Gráficos de isolínea que muestran la humedad de la barrera de bentonita después de 18 años en funcionamiento alrededor del calentador (izquierda) y en un área fuera de la influencia del calentador (derecha).

Fig. 8. Cambio de la permeabilidad efectiva del gas al aumentar la presión de confinamiento en las muestras de la sección S47.

• Villar, M.V. 2018. Desmantelamiento del ensayo FEBEX-DP: una simulación en condiciones naturales del concepto español de almacenamiento de residuos de alta actividad en funcionamiento durante 18 años. Estratos 120: 44-51. ENRESA.
• Villar, M.V., Iglesias, R.J., Abós, H., Martínez, V., de la Rosa, C., Manchón, M.A. 2016. FEBEX-DP onsite analyses report. NAB 16-012. 106 pp.
• Villar, M.V. 2017. FEBEX-DP Postmortem THM/THC Analysis Report. Technical Report NAB 16-017. 147 pp.
• Villar, M.V., Iglesias, R.J., Gutiérrez-Álvarez, C., Carbonell, B., Campos, R., Campos, G., Martín, P.L., Castro, B. 2018. FEBEX-DP: Thermo-hydro-mechanical postmortem analysis of bentonite performed at CIEMAT. Technical report CIEMAT/DMA/2G216/2/16. NAB16-024. Madrid, 134 pp.
• Villar, M.V., Carbonell, B., Martín, P.L., Gutiérrez-Álvarez, C., Barcala, J.M. 2018. Gas permeability of bentonite samples of the FEBEX Dismantling Project (FEBEX-DP). Informe Técnico CIEMAT 1431. Madrid, 89 pp.
• Campos, G., Villar, M.V. 2018. Water retention curves of bentonite samples of the FEBEX Dismantling Project (FEBEX-DP). Informe Técnico CIEMAT 1432. Madrid, 44 pp.

Proyecto de investigación sobre los parámetros de migración del emplazamiento del almacén temporal centralizado de Villar de Cañas: respuesta termohidromecánica y geoquímica del sustrato geológico del emplazamiento y su incidencia en la seguridad a largo plazo.

Convenio Marco CIEMAT /ENRESA 2/6/2004. Anexo XXXVII

2012-2015

Este proyecto abordó el estudio del substrato geológico del emplazamiento del almacenamiento temporal centralizado (ATC) en Villar de Cañas (Cuenca), en concreto de los aspectos relacionados con el comportamiento termo-hidro-mecánico y geoquímico de los materiales geológicos y de los parámetros que condicionan y permiten establecer la repuesta de los mismos al impacto térmico y mecánico de la instalación. Se trabajó con testigos de sondeo realizados en el emplazamiento propuesto, una cuenca sedimentaria terciaria formada por conglomerados, areniscas, lutitas, yesos y calizas (Fig. 9). Se realizó una caracterización de materiales de la Segunda Unidad Neógena (esencialmente lutítico-limosa y, sobre todo, yesífera) que incluyó los siguientes aspectos (Fig. 10):

Fig. 9. Corte geológico OSO-ENE del Terciario del sinclinal de Villar de Cañas con localización de algunos de los sondeos muestreados (Inypsa-Eptisa 2013)

Fig. 10: Ejemplo de muestreo en laboratorio de un testigo

Fig. 11: Litotipos identificados en la formación lutitas de Superiores Balanzas: LBSmic, LBSmac y LBSlut (de izq a dcha)

• Caracterización de los materiales del subsuelo en condiciones representativas: humedad, densidad del sólido, límites de plasticidad, peso específico y distribución granulométrica.
• Análisis de la capacidad de hinchamiento y la presión de hinchamiento.
• Determinación de las curvas de retención.
• Medida de la conductividad térmica.
• Determinación de la mineralogía y geoquímica.
• Análisis petrofísico (distribución de tamaño de poros, superficie específica)

Con los resultados obtenidos se establecieron tres litotipos dentro de la formación Lutitas Superiores de Balanzas (la más estudiada y de mayor interés geotécnico), distinguiéndose inicialmente por su apariencia tres: LBSmic, LBSmac y LBSlut (Fig. 11). El contenido de yeso disminuye del primero al último, mientras que el contenido de filosilicatos y la capacidad de cambio catiónico aumenta. La distribución granulométrica también es diferente, disminuyendo el porcentaje de fracción arena del primero al último y aumentando el de fracción arcilla, a la vez que aumenta la plasticidad. En cuanto a la capacidad de hinchamiento, es baja para el litotipo LBSmic y presenta los valores más altos para el LBSlut.

• Villar, M.V., Iglesias, R.J., Campos, G., Gutiérrez-Alvarez, C. 2016. ATC: Caracterización básica y termo-hidro-mecánica del sustrato. Informe Final. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G214/3/16. Madrid, 114 pp.
• Fernández, A.M., Sánchez-Ledesma, D.M., Melón, A.M., Robredo, L.M., Labajo, M.A., Sánchez, M., Clavero, M.A., González, A.E., Rey, J.J., Gutiérrez-Nebot, L. 2016. Síntesis geoquímica, mineralógica y petrográfica del sustrato geológico del ATC: Características de las unidades litoestratigráficas LBS, YB, LBI y UI en el entorno de Villar de Cañas (Cuenca). Informe final. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G214/1/2016. Madrid, 150 pp.
• Campos Egea, R. 2016. ATC: Caracterización petrofísica. Informe Final. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G214/2/16. 53 pp.
• Campos, G., Villar, M.V. 2018. ATC: Curvas de retención de muestras del sondeo SG-125. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G218/6/18. Madrid, 41 pp.

Caracterización sistema poroso AGP de CO2

Plan Nacional 2011: PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN FUNDAMENTAL NO ORIENTADA. 3154-11

2011-2015

La inyección de CO2 en formaciones geológicas se plantea como una de las soluciones más viables para la reducción de gases con efecto invernadero a la atmósfera. Esta solución conlleva la investigación de los procesos que tendrán lugar en el almacenamiento una vez inyectado el gas y es en este contexto de investigación donde se planteó este proyecto. Se encuadró en una de las áreas de acción prioritarias de la ANEP, el cambio climático y mitigación del calentamiento global.

El objetivo del proyecto era la caracterización del sistema poroso de la formación geológica Utrillas, como posible roca almacén en un AGP de CO2, contribuyendo al conocimiento de los mecanismos de movilidad/retención del gas en el reservorio, tras la inyección de CO2 en una formación detrítica saturada.

• R. Campos, I. Barrios y J. Lillo. 2015. Experimental CO2 injection: Study of physical changes in sandstone porous media using Hg porosimetry and 3D pore network models. Energy Reports 1 (2015) 71–79.

Long-term performance of the Engineered Barrier System

Commission of the European Communities Contract FP7 249681

2010-2014

https://www.pebs-eu.de/PEBS/EN/Project-information/project-information_node_en.html; https://cordis.europa.eu/project/id/249681

El principal objetivo del proyecto PEBS (Funcionamiento a largo plazo del sistema de barreras de ingeniería) fue evaluar el funcionamiento de sellado de sistema de barreras a través de una metodología que implicaba a la vez ensayos, desarrollo de modelos y la consideración de los posibles impactos en las funciones de seguridad a largo plazo. Se cubrió un rango completo de condiciones, desde el emplazamiento inicial de los residuos (cuando la generación de calor es elevada y el sistema de barreras se está saturando) hasta el establecimiento en fases posteriores de condiciones quasi-estacionarias, es decir, saturación completa de la barrera y equilibrio térmico con la roca almacén. El objetivo final era establecer para el sistema de barreras una conexión convincente entre su estado transitorio inicial y su estado a largo plazo, cuando ha de garantizarse el aislamiento de los residuos. Se abordó la descripción completa de la evolución THM y THM-C (termo-hidro-mecánica y química) del sistema de barreras, la obtención de una base cuantitativa para relacionar la evolución del comportamiento con las funciones de seguridad del sistema y una mayor clarificación del significado de las incertidumbres residuales en la evaluación del comportamiento a largo plazo.

CIEMAT contribuyó en varios paquetes de trabajo de este proyecto. En particular, el Grupo realizó ensayos de infiltración a temperatura ambiente como apoyo al ensayo a gran escala EB (Engineered Barrier, Mont Terri, Fig. 12), continuó con el mantenimiento de la maqueta FEBEX y de las maquetas geoquímicas GAME, y diseñó y comenzó ensayos THM con diferentes materiales (Fig. 13) para apoyo del ensayo a gran escala HE-E (HEating-Experiment, Mont Terri, Fig. 12).

Fig. 12: Plano del laboratorio subterráneo de Mont Terri mostrando la ubicación de los ensayos EB (número 8) y HE-E (número 9). Más información en https://www.mont-terri.ch/en/experiments/the-most-important-experiments.html.

Fig. 13. Ensayos termohidráulicos en celdas con materiales de barrera utilizados en el experimento in situ de HE-E.

• Palacios, B., Rey, M., García-Siñeriz, J.L., Villar, M.V., Mayor, J.C., Velasco, M. 2013. Engineered Barrier Emplacement Experiments in Opalinus Clay: “EB” Experiment. As-built of dismantling operation. PEBS Deliverable D2.1-4. Madrid, 95 pp.
• Villar, M.V. Campos, R., Gutiérrez-Nebot, L. 2014. EB experiment. Laboratory post-mortem analyses report. EC Contract 249681 PEBS. PEBS Deliverable 2.1-7. Technical Report CIEMAT/DMA/2G210/01/2014. Madrid, 34 pp.
• Johnson, L., Gaus, I., Wieczorek, K., Mayor, J. C., Sellin, P., Villar, M.-V., Samper, J., Cuevas, J.A., Gens, M., Velasco, M., Turrero, M.J., Montenegro, L., Martin P.-L., Armand G. 2014. Integration of the Short-term Evolution of the Engineered Barrier System (EBS) with the Long-term Safety Perspective (Deliverable D4.1 of the PEBS Project). Nagra Arbeitsbericht NAB 14-79. Wettingen, 85 pp.
• Villar, M.V., Martín, P.L., Romero, F.J., Gómez-Espina, R., Iglesias, R.J., Gutiérrez-Rodrigo, V. 2015. HE-E Experiment: Laboratory test in a THM cell with the Sand/Bentonite mixture. Mont Terri Project TN 2015-43. Madrid, 28 pp.

Fate of repository gases

Commission of the European Communities Contract FP7 230357

2010-2013

https://cordis.europa.eu/project/id/230357

FORGE fue un proyecto europeo conectado tanto con las organizaciones de gestión de residuos nucleares, como con los reguladores y los investigadores y diseñado específicamente para abordar los aspectos claves de la investigación asociada a la generación y transporte de gases en un almacenamiento. En particular se consideró el funcionamiento a largo plazo de barreras de bentonita, rocas arcillosas plásticas, argilitas y formaciones cristalinas. Se generaron datos experimentales para reducir la incertidumbre relacionada con el tratamiento cuantitativo del gas en las evaluaciones del funcionamiento del sistema de almacenamiento. Para ello se realizaron tanto ensayos de laboratorio como a gran escala en laboratorios subterráneos, y se desarrollaron nuevos métodos para escalar ambos niveles. CIEMAT se concentró en el estudio experimental a escala de laboratorio del transporte de gas en bentonita (FEBEX y MX-80), la arcilla Opalinus y en hormigón. Para ello se diseñó y puso en marcha un laboratorio de transporte de gases y diversos procedimientos experimentales (Fig. 14, Fig. 15). Parte de los resultados de este proyecto constituyeron la tesis doctoral de Vanesa Gutiérrez Rodrigo (http://www.ciemat.es/cargarAplicacionNoticias.do?texto=tesis&idArea=0&identificador=1631).

Fig. 14. Diferentes distribuciones del laboratorio de ensayo de gases durante el proyecto FORGE.

Fig. 15. Detalle de uno de los experimentos de transporte de gas en funcionamiento durante FORGE.

• Villar, M.V., Martín, P.L., Romero, F.J., Gutiérrez-Rodrigo, V. & Barcala. J.M. 2012. Gas and water permeability of concrete. Informes Técnicos CIEMAT 1261. Octubre 2012. CIEMAT, Madrid, 45 pp.
• Villar, M.V. & Romero, F.J. 2012. Water retention curves of Opalinus clay. Informes Técnicos CIEMAT 1262. Octubre 2012. CIEMAT, Madrid, 33 pp. DOI: 10.13140/RG.2.2.17689.72808
• Villar, M.V.; Gutiérrez-Rodrigo, V.; Martín, P.L.; Romero, F.J. & Barcala, J.M. 2013. Gas transport in bentonite. Informes Técnicos CIEMAT 1301. Madrid, 63 pp. DOI: 10.13140/RG.2.2.14334.28489
• M.V. Villar, F.J. Romero, P.L. Martín, V.Gutiérrez-Rodrigo, J.M. Barcala. 2015. Gas transport in Opalinus clay. Informes Técnicos CIEMAT 1378. Madrid, 40 pp. DOI: 10.13140/RG.2.2.28594.91846

Full-scale Engineered Barriers Experiment – extension

2008-2013

https://www.grimsel.com/gts-phase-vi/febexe/febexe-introduction

El ensayo in situ FEBEX, realizado en el laboratorio subterráneo de Grimsel (Suiza) fue objeto de investigación en tres proyectos europeos sucesivos: FEBEX, FEBEX II y NF-PRO (ver más abajo el detalle de estos proyectos), bajo el liderazgo de Enresa. Desde 2008 un consorcio de cuatro socios (SKB, CIEMAT, POSIVA y NAGRA) con el nombre de FEBEXe (extensión) mantuvo en marcha el experimento in situ (Fig. 16) y el ensayo en maqueta de CIEMAT (Fig. 17).

Fig. 16. FEBEX in situ test 2002-2015

Fig. 17. FEBEX mock-up at CIEMAT, running since 1997

Caracterización de materiales de confinamiento de base hormigón/arcilla.

Convenio Marco CIEMAT /ENRESA 2/6/2004. Anexo XX

2009-2013

Caracterización del material de cobertera y el hormigón del C.A. El Cabril

Convenio Marco CIEMAT /ENRESA 2/6/2004. Anexos XIII y XX

2006-2009

ENRESA diseñó un ensayo a gran escala para definir la cobertera a largo plazo de las plataformas Norte y Sur del Centro de Almacenamiento de El Cabril para su clausura (Fig. 18). Se trata de una cobertera multicapa que contribuya a la reducción de la erosión, la eliminación de aguas superficiales, la protección frente a la biointrusión, la minimización de la permeabilidad para limitación de aguas infiltradas y el drenaje de las infiltraciones. La caracterización por parte del CIEMAT de los materiales del ensayo de cobertera incluyó la determinación de propiedades hidráulicas, mecánicas, térmicas y eléctricas. Además, se realizó la caracterización hidráulica y térmica del hormigón de las celdas de almacenamiento (Fig. 18). En una segunda fase la caracterización se amplió con la realización de ensayos de evaporación a escala de laboratorio en columnas de los diferentes materiales utilizados en el ensayo de cobertera y en el hormigón de las celdas de almacenamiento; así como a la caracterización de rocas arcillosas provenientes de laboratorios subterráneos (Callovo-Oxfordian clay del laboratorio de Bure, Francia, y Opalinus Clay del laboratorio de Mont Terri, Suiza). Los ensayos de evaporación en hormigón se utilizaron para calibrar modelos de flujo multifase en colaboración con la UPC (Chaparro et al. 2015).

Fig. 18. Ensayo de capas de cobertera de El Cabril y celdas de almacenamiento de hormigón (ENRESA).

Fig. 19. Instalaciones experimentales para la realización de pruebas de evaporación en materiales de recubrimiento y hormigón..

• Villar, M.V.; Martín, P.L. & Barcala, J.M. 2009. Caracterización del material de cobertera y el hormigón del C. A. El Cabril. Caracterización termo-hidro-mecánica. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G205/03/09. Madrid, 55 pp. Agosto 2009.
• Villar, M.V. 2011. Resultados de los ensayos de caracterización de los materiales de cobertera. Informe Técnico CIEMAT/DMA/2G208/06/11. Madrid, 20 pp.
• Chaparro, M.C., Saaltink, M.W. & Villar, M.V. 2015. Characterization of concrete by calibrating thermo-hydraulic multiphase flow models. Transport in Porous Media 109(1): 147-167. DOI: 10.1007/s11242-015-0506-9

Understanding and physical and numerical modelling of the key processes in the near-field, and their coupling, for different host rocks and repository strategies

Commission of the European Communities Contract No FI6W-CT-2003-02389

2004-2007

https://cordis.europa.eu/project/id/2389

El objetivo del proyecto integrado NF-PRO fue establecer las bases científicas y técnicas para evaluar la función de contención y minimización de la liberación que tiene el campo próximo de un almacenamiento geológico de residuos de alta actividad y combustible gastado. Para ello se investigaron los procesos dominantes y acoplamientos que afectan al aislamiento del residuo en el campo próximo y se desarrollaron y aplicaron modelos conceptuales y matemáticos para predecir la liberación de radionucleidos del campo próximo al campo lejano. NF-PRO se estructuró en cinco componentes de investigación y desarrollo tecnológico (RTD). El grupo participó en las tareas experimentales de los componentes 2 (procesos químicos en el sistema de barreras de ingeniería), 3 (evolución termo-hidro-mecánica del sistema de barreras de ingeniería) y 4 (características y evolución de la zona alterada por la excavación, EDZ).

• Villar, M.V. 2004. Thermo-hydro-mechanical characteristics and processes in the clay barrier of a high level radioactive waste repository. State of the art report. Informes Técnicos CIEMAT 1044. CIEMAT, Madrid, 75 pp.
• Villar, M.V.; Fernández A.M. & Melón, A.M. 2009. Mont Terri Ventilation Test Phase II. Water retention curves determined on argillite samples taken before and after an in situ Ventilation Phase. Informes Técnicos CIEMAT 1170. Madrid, 34 pp. Junio 2009. DOI: 10.13140/RG.2.2.35096.08960
• Villar, M.V. & Gómez-Espina, R. 2009. Report on thermo-hydro-mechanical laboratory tests performed by CIEMAT on FEBEX bentonite 2004-2008. Informes Técnicos CIEMAT 1178. Madrid, 67 pp. Agosto 2009. DOI: 10.13140/RG.2.2.10087.55208

Estudio experimental de la deformabilidad de un material geológico no saturado

CICYT BTE2002-04244-C02-02

2002-2005

Fue un proyecto coordinado compuesto por dos subproyectos: “Estudio experimental de la deformabilidad de un material geológico no saturado“ llevado a cabo por el CIEMAT, y “Calibración automática de parámetros de una nueva ley de comportamiento para suelos no saturados“,desarrollado por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). El objetivo fue doble: 1) validar experimentalmente el modelo constitutivo elastoplástico sobre el comportamiento deformacional de suelos no saturados desarrollado por uno de los participantes del proyecto en su tesis doctoral; y 2) desarrollar una herramienta para la calibración automática y estimación de la incertidumbre de los parámetros del modelo de comportamiento citado que permita definir parámetros ingenieriles de aplicación directa en geotecnia. Para cubrir el primer objetivo se propuso la puesta a punto de un equipo triaxial con control de la succión para la realización por CIEMAT de ensayos específicamente diseñados con una arcilla limosa. Frédéric Lambert, del INSA-Rennes realizó su proyecto fin de carrera en el marco de este proyecto.

Fig. 20: Esquema y aspecto del equipo triaxial con succión controlada (de izquierda a derecha).

• M.V. Villar, A. Udías, I. Cañamón & J. Robles. 2006. Estudio experimental de la deformabilidad de un material geológico: caracterización inicial e identificación de parámetros. Informes Técnicos CIEMAT 1080. CIEMAT, Madrid, 45 pp. Junio 2006. DOI: 10.13140/RG.2.2.23509.32480

Acuerdo específico de colaboración CIEMAT/CIMNE 04/113

2004-2007

Este Acuerdo CIEMAT/CIMNE se enmarcó en el proyecto Temperature Buffer Test (TBT), liderado por ANDRA y SKB, cuya parte experimental se llevó a cabo en el laboratorio subterráneo de Äspö (Suecia) con el objetivo de mejorar el conocimiento del comportamiento termo-hidro-mecánico del material de sellado durante su saturación a temperaturas superiores a 100°C. En una perforación vertical de 8 m de profundidad se introdujeron dos calentadores verticales para simular los contenedores de residuos y se utilizó bentonita MX-80 como material de sellado en torno a ellos (Fig. 21). CIMNE fue uno de los equipos encargados de modelizar este ensayo y CIEMAT realizó ensayos de laboratorios como soporte de la modelización, por una parte para la obtención de parámetros (específicamente la determinación de curvas de retención a alta temperatura) y por otra para la simulación a escala de laboratorio del ensayo a gran escala (Fig. 22). Para ello se diseñaron y llevaron a cabo una serie de ensayos de infiltración bajo gradiente termo-hidráulico. Este trabajo constituyó parte de la tesis doctoral de Roberto Gómez Espina (https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=258183).

Fig. 21. Diseño del experimento TBT (Äkesson, M. 2012. Temperature Buffer Test. Final Report. SKB TR-12-04).

Fig. 22. Equipo experimental diseñado para el proyecto. 

• M.V. Villar, R. Gómez-Espina & P.L. Martín. 2006. Behaviour of MX-80 bentonite at unsaturated conditions and under thermo-hydraulic gradient. Work performed by CIEMAT in the context of the TBT project. Informes Técnicos CIEMAT 1081. CIEMAT, Madrid, 45 pp. July 2006. DOI: 10.13140/RG.2.2.30062.92482
• Gómez, R. & Villar, M.V. 2010. Geochemical and mineralogical changes in compacted MX-80 bentonite submitted to heat and water gradients. Informes Técnicos CIEMAT 1199. Marzo 2010. Madrid, 33 pp.
• Gómez-Espina, R. & Villar, M.V. 2013. Modificaciones en la bentonita MX-80 compactada sometida a tratamiento termo-hidráulico. Informes Técnicos CIEMAT 1290. Madrid, 85 pp.

Full scale testing of the KBS-3 concept for high-level radioactive waste

Acuerdo de Investigación y Desarrollo Tecnológico CIEMAT /ENRESA Area 2. 2000-2003

2000-2003

El proyecto Prototype es un ensayo a escala real de demostración del concepto sueco KBS-3 para almacenamiento de residuos nucleares de alta actividad, llevado a cabo en el laboratorio subterráneo de Äspö (Suecia), con foco en el sistema de barreras de ingeniería. En seis perforaciones verticales se introdujeron calentadores eléctricos para simular los contenedores de residuos y alrededor de ellos se colocaron bloques de bentonita MX-80 compactada. CIMNE (Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería), subcontratado por ENRESA, realizó parte de la modelización termo-hidro-mecánica y química del comportamiento de la barrera de arcilla. Como soporte de este trabajo de modelización y para mejorar el comportamiento del comportamiento hidro-mecánico de la bentonita, CIEMAT llevó a cabo la caracterización THM de la bentonita MX-80.

• Villar, M.V. 2005. MX-80 bentonite. Thermo-hydro-mechanical characterisation performed at CIEMAT in the context of the Prototype Project. Informes Técnicos CIEMAT 1053. CIEMAT, Madrid, 39 pp. Febrero 2005.
• M.V. Villar, R. Gómez-Espina & P.L. Martín. 2006. Behaviour of MX-80 bentonite at unsaturated conditions and under thermo-hydraulic gradient. Work performed by CIEMAT in the context of the TBT project. Informes Técnicos CIEMAT 1081. CIEMAT, Madrid, 45 pp. July 2006. DOI: 10.13140/RG.2.2.30062.92482
• Gómez, R. & Villar, M.V. 2010. Geochemical and mineralogical changes in compacted MX-80 bentonite submitted to heat and water gradients. Informes Técnicos CIEMAT 1199. Marzo 2010. Madrid, 33 pp.
• Gómez-Espina, R. & Villar, M.V. 2013. Modificaciones en la bentonita MX-80 compactada sometida a tratamiento termo-hidráulico. Informes Técnicos CIEMAT 1290. Madrid, 85 pp. DOI:

Gas Migration Test. Estudio de la migración de gas en un sistema de barreras de ingeniería

1999-2000

Acuerdo ENRESA/CIEMAT 1998, RWMC (Japón)

https://www.grimsel.com/gts-phase-v/gmt/gmt-laboratory-programme/gmt-initial-tests-

El objetivo del proyecto fue demostrar la integridad con respecto a la migración de gas del sistema de barreras de ingeniería de un almacenamiento de residuos radioactivos de media y baja actividad, puesto que en estos almacenamiento se puede producir un volumen considerable de gas por la corrosión anaerobia y la degradación microbiológica de metales y residuos orgánicos. El proyecto incluyó un ensayo a gran escala realizado en un silo excavado en el laboratorio subterráneo de Grimsel (Suiza), maquetas a pequeña escala, una serie de ensayos de laboratorio y el desarrollo de modelos de migración de gas a través del sistema de barreras hacia la geosfera. Los ensayos realizados en CIEMAT (ver informe en esta sección) se diseñaron para mejorar la comprensión de los procesos de migración de gas a través de mezclas de bentonita Kunigel y arena para un rango de condiciones experimentales que simulaban con la mayor fidelidad posible las condiciones de los ensayos en maqueta y del ensayo in situ.

• Martín, P.L.; Villar, M.V.; Barcala, J.M. & Campos, R. 2000. GMT/IR 99-07: Material Tests on Specimens of Kunigel VI Bentonite/Sand (20/80) Mixture. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54141/1/00. NAGRA Project Report 00-09. Wettingen (CH), 31 pp.

Desarrollo y aplicación de métodos para el seguimiento del impacto sobre las aguas subterráneas del vertido de lodos mineros. El caso Aznalcóllar

1999-2000

CICYT-FEDER 1FD97-1867

Efectos sobre suelo y acuíferos del vertido de las Minas de Aznalcóllar

1998-1999

FEDER-CICYT-1FD97-0765

La avenida de aguas ácidas y lodos piríticos que se produjo como consecuencia de la rotura de la balsa minera de Aznalcóllar causó un considerable incremento en el contenido metálico de los suelos de la zona afectada del Guadiamar a causa de la infiltración directa de las aguas cargadas en metales pesados, y de los sulfuros de granulometría muy fina que constituían la carga sólida, a través de los poros del suelo, las fracturas existentes en el mismo y otras irregularidades en la superficie del suelo. Una vez retirados los lodos, el CIEMAT realizó una campaña para muestrear columnas de suelos representativos del área afectada y se realizó su caracterización física, geoquímica y mineralógica como apoyo a los ensayos de sorción/desorción.

• Alonso, C.; Antón-Pacheco, C.; Barettino, D.; Cabrera, F.; Fernández, A.M.; Fernández, J.E.; García-Gutiérrez, M.; Giráldez, J.V.; Girón, I.F.; López Pamo, E.; Moreno, F.; Ordóñez, R.; Pelayo, M.; Rivas, P; Vanderlinden, K.; Villar, M.V. 2001. Los suelos de Guadiamar: estudios de caracterización y de la evolución de los suelos contaminados por el lodo. Boletín Geológico y Minero 112: 163-197. Número Especial: Ayora, C.; Barettino, D.; Carrera, J.; Manzano, M. & Mediavilla, C.(eds): Las aguas y los suelos tras el accidente de Aznalcóllar.

A large in situ demonstration test for repository sealing in an argillaceous host rock

2000-2005: RESEAL II

Commission of the European Communities Contract No FIKW-CT-2000-00010

https://cordis.europa.eu/project/id/FIKW-CT-2000-00010

1996-1999: RESEAL I

Commission of the European Communities Contract No FI4W-CT96-0025 / ENRESA https://cordis.europa.eu/project/id/FI4W960025)

El proyecto RESEAL tuvo como objetivo demostrar, a escala representativa, que el sellado con bentonita de una excavación en roca arcillosa impide el transporte de agua, gas y radionucleidos a lo largo de la interfase entre el sello y la roca y a través de la zona dañada por la excavación. Se realizó la selección y caracterización de los materiales de sellado (ver informes en esta sección), el desarrollo de la técnica para instalación del sello, el sellado de una galería y un pozo en roca arcillosa plástica en el laboratorio subterráneo HADES en Mol (Bélgica) (https://www.euridice.be/sites/default/files/editor/RESEAL.pdf) y la modelización de los principales procesos y fenómenos observados tanto en los ensayos de laboratorio como en el ensayo in situ.

• Villar, M.V. 1999. RESEAL Project. Topical Report on Laboratory Tests. Version 1. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54121/2/99. Madrid, 33 pp.
• Villar, M.V.; Imbert, Ch.; Billaud, P.; Touzé, G.; García-Gutiérrez, M. ; Mingarro, M. ; Van Geet, M.; Maes, N.; Aertsens, M. & Volckaert, G. 2005. A large in situ demonstration test for repository sealing in an argillaceous host rock – phase II. RESEAL II. Final report on laboratory tests (WP1). September 2000 – May 2005. EC contract FIKW-CT2000-00010. SCKCEN-ER-1. CIEMAT/DMA/M2147/1/05. 05/MVGe/P-32. Mol (B), 88 pp.

Full-scale Engineered Barrier Experiment in crystalline host rock

2000-2003: FEBEX II

Commission of the European Communities Contract No FIKW-CT-2000-00016 / ENRESA

https://cordis.europa.eu/project/id/FIKW-CT-2000-00016

1995-1999: FEBEX I

Commission of the European Communities Contract No FI4W-CT95-006 / ENRESA

https://cordis.europa.eu/project/id/FI4W950006

Con el objeto de demostrar la viabilidad del concepto de almacenamiento geológico profundo de residuos radiactivos de alta actividad (RRAA) en roca granítica, ENRESA comenzó en 1995 el proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barrier EXperiment), que además estudió el comportamiento del campo próximo de un almacenamiento de RRAA, en particular de la barrera de ingeniería (ENRESA 2006). El proyecto se organizó en cuatro bloques interrelacionados: un ensayo a escala real en condiciones naturales; un ensayo a gran escala realizado en las instalaciones de CIEMAT bajo condiciones controladas, el ensayo en maqueta (Fig. 23); un conjunto de ensayos de laboratorio encaminados a la obtención de parámetros del comportamiento de los materiales y al estudio de determinados procesos; y un componente dedicado al desarrollo, verificación y validación de modelos de comportamiento del sistema de almacenamiento.

Fig. 23. Esquema general del ensayo in situ realizado en el laboratorio subterráneo de Grimsel y del ensayo en maqueta llevado a cabo en CIEMAT como parte del proyecto FEBEX (ENRESA 2006)

• Cuevas, J.; Villar, M.V.; Martín, M.; Cobeña, J.C.; Leguey, S. & Rivas, P. 2000. Thermo-hydro-geochemical tests in small cells. Version 1. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54111/4/99, FEBEX 70-IMA-M-0-5 v1. EC Contract FI4W-CT95-006. Madrid, 46 pp.
• Lloret, A.; Villar, M.V. & Pintado, X. 2002. Ensayos THM: Informe de síntesis. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54520/1/02. Madrid, 98 pp.
• Lloret, A.; Villar, M.V. & Romero, E. 2004. Final report on THM laboratory tests. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54520/3/04 (70-UPC-L-7-13). Barcelona, 146 pp.
• Villar, M.V., A.M. Fernández, P. Rivas, A. Lloret, D. Daucausse, E. Montarges-Pelletier, K. Devineau, F. Villieras, E. Hynková, Z. Cechova, L. Montenegro, J. Samper, L. Zheng, j.-c. Robinet, A. Muurinen, H.P. Weber, L. Börgesson, T. Sandén, J. Verstricht. 2004. Task 141: Post mortem bentonite analysis. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54520/4/04 (70-IMA-M-6-7 v.0 y v.1). Madrid, 169 pp.
• Villar, M.V. 2004. Thermo-hydro-mechanical characterisation of the bentonite of a simulated HLW repository after five years operation (in situ test of the FEBEX Project). Informes Técnicos CIEMAT 1049. CIEMAT, Madrid, 61 pp. DOI: 10.13140/RG.2.2.30220.21123
• Enresa 2006. FEBEX Full-scale Engineered Barriers Experiment, Updated Final Report 1994-2004. Publicación Técnica Enresa 05-0/2006, Madrid, 590 pp.

Generación y transporte de gas en las barreras de ingeniería

Acuerdo de Investigación y Desarrollo Tecnológico CIEMAT/ENRESA 97-176

1997-1999

Este proyecto constituyó la iniciación del grupo en el área del conocimiento y comprensión de los fenómenos relacionados con el transporte del gas en la bentonita, utilizada como material de barrera y a través del almacenamiento de RRAA. Los objetivos eran múltiples: diseñar equipos capaces de medir la permeabilidad al gas en diversas condiciones de contorno; describir los protocolos a utilizar para la medida de los parámetros de transporte; proporcionar la información requerida para determinar los posibles efectos sobre las funciones de la barrera; y la necesidad de incorporarlos en el diseño del almacenamiento y los cálculos de seguridad.

• Martín, P.L.; Villar, M.V.; García, M.; Yllera, A.; Barcala, J.M. & Casero, D. 1998. Transporte de gases en la bentonita. Informe final 1997-1998. Informe Técnico CIEMAT/DIAE/54123/2/98. Madrid, 152 pp.