Frage 123: Entsorgung radioaktiver Abfälle in Bohrungen
In Schweden (Johan Swahn am 13. März 2014 am Atommüllkongress der SES) und in den USA (Nature, 6. März 2014) wird seit einiger Zeit geprüft, ob der atomare Abfall in „boreholes“ versenkt werden kann.
Gibt es in der Schweiz dazu auch Forschungsarbeiten und Pläne?
Welche Chancen bzw. welche Risiken sind aufgrund der jetzt bekannten Forschungsresultate vorhanden?
Vergleicht man die Chancen (+) und Risiken (-) des „Deep Borehole Disposal“ Konzeptes für die Entsorgung hochaktiver Abfälle miteinander, so können aufgrund der bisherigen internationalen Forschungsarbeiten folgende Schlüsse gezogen werden:Die Option der Endlagerung in tiefen Bohrlöchern wird seit den 1950er-Jahren diskutiert. In Bohrlöchern von mehreren Kilometern Tiefe sollen hochaktive Abfälle fern von der Oberfläche in den Untergrund platziert werden. In der Schweiz wird diese Option nicht weiter untersucht, das Konzept widerspricht wichtigen Anforderungen aus der schweizerischen Kernenergiegesetzgebung. Den Vorteilen einer grossen Entfernung und Isolation vom menschlichen Lebensraum stehen viele Unsicherheiten bezüglich Explorierbarkeit des Untergrundes und Langzeitentwicklung gegenüber. Eine Kontrollier- und Rückholbarkeit der Abfälle ist in diesen grossen Tiefen und engen Bohrlöchern kaum technisch umsetzbar.
a)
Figur 123-1: Variante der Entsorgung hochaktiver Abfälle in Bohrlöchern bis zu einer Tiefe von etwa 3 km (Quelle: Nagra, 1978).
Das Konzept der möglichen Entsorgung hochaktiver Abfälle in tiefen Bohrungen (Figur 1) in granitischen Gesteinen wird seit den 1950er-Jahren diskutiert (National Academy of Science, 1957). Auch in der Schweiz wurde diese Variante von den schweizerischen Kernkraftwerkbetreibern und der Nagra 1978 im „Konzeptbericht zur nuklearen Entsorgung in der Schweiz“ als mögliche Option aufgeführt, nach Vorlage eines separaten Berichts (Nagra, 1980) und dem Abschluss des Projektes Gewähr 1985 mit dem Machbarkeitsnachweis geologischer Tiefenlager nicht mehr weiter verfolgt.
In verschiedenen Ländern (u.a. Schweden, England, USA) wurden und werden noch heute zu diesem Thema Forschungsarbeiten durchgeführt. So veröffentlichten die Sandia National Laboratories (USA) vor fünf Jahren eine Studie (Sandia, 2009), die sich mit der Entsorgung hochaktiver Abfälle in tiefen vertikalen Bohrlöchern (3 bis 5 km, Figur 2) befasste. Die Wissenschaftler kamen zum Schluss, dass für die Entsorgung des gesamten USA-Inventars an hochaktiven Abfällen insgesamt 1000 Bohrlöcher benötigt würden. Ausgehend von einem Abstand der einzelnen Bohrungen von 200 m, welcher sich mit der hohen Wärmeproduktion dieser Abfälle begründen lässt (Figur 3), würden diese Bohrungen eine Gesamtfläche von 40 km2 beanspruchen.
Nach dem Stop des amerikanischen Endlagerprojektes am Yucca Mountain (Nevada) gibt es in den USA aufgrund eines Berichtes der Experten der „Blue Ribbon Commission“ (2012) neue Forschungsanstrengungen für ein Tiefbohrexperiment, mit welchem noch offene Fragen der Entsorgung hochaktiver Abfälle in Tiefbohrungen („Deep Borehole Disposal“) geklärt werden sollen. In ihren Schlussfolgerungen zur nuklearen Entsorgung hält die Expertengruppe zwar fest, dass die geologische Tiefenlagerung hochaktiver Abfälle in bergmännisch erstellten Endlagern die vielversprechendste, technisch akzeptierte und international anerkannte Option für den sicheren Einschluss hochaktiver Abfälle über sehr lange, geologische Zeiträume ist. Für gewisse Formen von hochaktiven Abfällen sieht die Kommission aber in der Entsorgung in Tiefbohrungen ein gewisses Potential, welches aber noch weiterer Klärung und Forschung bedarf.
Figur 123-2: Auslegungskonzept der Verrohrung einer Tiefbohrung bis in 17‘000 ft (5182 m) Tiefe mit einem Enddurchmesser von 45 cm. Quelle: SANDIA (2009). Man beachte, dass die hier dargestellten Bohrlochdurchmesser (Angabe in „inch“, oberflächennah über 1 m) technisch sehr anspruchsvoll sind.
Figur 123-3: Wärmeentwicklung eines Behälters mit verglasten hochaktiven Abfällen in Funktion der Zeit und der Distanz zum Bohrloch (ungestörte Felstemperatur = 110 o C). Figur modifiziert nach SANDIA (2009).
In Schweden, wo die Planung und Realisierung eines bergmännisch erstellten Endlagers für hochaktive Abfälle in rund 500 m Tiefe in den kristallinen Gesteinen Skandinaviens weit fortgeschritten ist, wurde die Forderung nach der Evaluation alternativer Konzepte wie derjenigen der Entsorgung in tiefen Bohrlöchern, mehrmals erhoben. Entsprechend liegen auch mehre Berichte vor, die dieses Konzept des „Deep Borehole Disposal“ mit seinen Vor- und Nachteilen untersucht haben (u.a. Juhlin & Sandstedt 1989, SKB 1998, Ahäll 2006). Die Studien weisen darauf hin, dass der Kenntnisstand über die Beschaffenheit der Erdkruste in diesem Tiefenbereich (4 bis 6 km) in Skandinavien sehr spärlich ist, und dass nur grobe konzeptuelle Modellvorstellungen möglich sind (Figur 4 und Figur 5).
Figur 123-4: Konzeptuelles Modell über die chemische Gliederung der Grundwässer (blau = hochsaline alte Wässer, hellblau bis weiss = meteorische jüngere Wässer) und die möglichen Zirkulationsspfade im kristallinen Untergrund Schwedens („Precambrian shield“). Die hier gezeigte Tiefbohrung in Gravberg zeigt einen Einfluss meteorischer Frischwässer bis in grosse Tiefen von 4 bis 5 km. Quelle: SKB (1998).
Figur 123-5: Konzeptuelles Modell zur Klufthäufigkeit und Wasserführung im kristallinen Untergrund Schwedens in Abhängigkeit von der Tiefe . Quelle: SKB (1998).
Die schwedischen Studien kommen zum Schluss, dass, sollte das „Deep Borehole Disposal“-Konzept für hochaktive Abfälle weiterverfolgt werden, ein erheblicher Forschungsbedarf bestünde und die technisch-wissenschaftlichen Herausforderungen sehr gross wären.
b)
Vergleicht man die Chancen (+) und Risiken (-) des „Deep Borehole Disposal“ Konzeptes für die Entsorgung hochaktiver Abfälle miteinander, so können aufgrund der bisherigen internationalen Forschungsarbeiten folgende Schlüsse gezogen werden:
(+) Die Bohrtechnik ist heute weit fortgeschritten und Tiefbohrungen in einen Tiefenbereich von 4-5 km sind machbar. Die Bohrlochdurchmesser sind aber in diesem Tiefenbereich beschränkt, die angedachten Durchmesser von 45 cm in 5 km Tiefe wurden bisher noch nie technisch umgesetzt und würden die Entwicklung neuer Technologien erfordern (-).
(+) Mit der Wahl einer grossen Tiefenlage wären die hochaktiven Abfälle weit weg vom Lebensraum des Menschen. Grosse Tiefen schützen besser vor Prozessen an der Erdoberfläche (z.B. Erosion) und vor Eingriffen des Menschen.
(+) Granit weist in dieser Tiefe meist eine hohe Gesteinsfestigkeit, einen Trend zur Abnahme der Klufthäufigkeit und damit verbunden einen Trend zu geringeren Permeabilitäten auf. Andererseits können die Gebirgsspannungen in diesem Tiefenbereich sehr hoch sein und zu Bohrlochinstabilitäten führen (-).
(+) Die Tiefenwässer in Granitgesteinen zeigen in diesem Tiefenbereich meist eine hohe Salinität und damit stagnierende hydrogeologische Verhältnisse (lange Verweilzeiten). Hochsaline Wässer und hohe Temperaturen beschleunigen aber die Korrosion der metallischen Behälter und sind deshalb ungünstig (-).
(-) Die geologischen Kenntnisse über diesen Tiefenbereich der Erdkruste sind gering.
(-) Die Exploration eines geringdurchlässigen und homogenen Granitkörpers ist in dieser Tiefenlage schwierig, ein Erkennen wasserführender Klüfte mit seismischen Methoden ist nicht möglich.
(-) Eine Bohrung liefert nur punktuelle lokale Informationen über den Untergrund (Nadelstich). Damit besteht die Gefahr von unentdeckten wasserführenden Diskontinuitäten in unmittelbarer Nähe des Bohrlochs.
(-) Grosse Tiefen bedeuten auch erhöhte Felstemperaturen (in 6 km bis gegen 200o C) und hohe Gebirgsdrücke. Zusammen mit dem Wärmeeintrag der Abfälle führt dies in den ersten 1000 Jahren zu einer hohen thermischen Belastung und zu komplexen thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischen Prozessen im Bohrloch und im umgebenden Gebirge.
(-) Qualität und Langzeitverhalten (d.h. über mehrere 100‘000 Jahre) der Verrohrung, der Zementabdichtung zum Gebirge und der Bohrlochsiegel sind unbekannt. Damit besteht langfristig die Gefahr potenzieller Fliesspfade entlang der Verrohrung oder entlang der Auflockerungszone zur Biosphäre.
(-) Wegen des beschränkten Bohrlochdurchmessers (45 cm) können keine dickwandigen, langzeitbeständigen Behälter eingesetzt werden. Die hohen Anforderungen an die Behälterintegrität über 1000 Jahre, wie in der Richtlinie ENSI-G03 für hochaktive Abfälle gefordert, könnten nicht erfüllt werden.
(-) Die Langzeitsicherheit beruht allein auf der Barrierenwirkung der Geosphäre. Das in der schweizerischen Kernenergiegesetzgebung und wissenschaftlich geforderte gestaffelte Mehrfachbarrierensystem ist mit dem „Deep Borehole Disposal“-Konzept nicht umsetzbar.
(-) Kontrollierbarkeit, Überwachung und Rückholbarkeit der Abfälle können mit diesem Konzept kaum gewährleistet werden.
Aus dieser Gegenüberstellung geht hervor, dass das „Deep Borehole Disposal“-Konzept für die Entsorgung der hochaktiven Abfälle neben Chancen vor allem viele Risiken hat und in der Schweiz die gesetzlichen Anforderungen an die geologische Tiefenlagerung nicht erfüllen würde.
Referenzen
Ahäll, K.-I. (2006): Final Deposition of High-Level Nuclear Waste in Very Deep Boreholes. MKG Report 2, Swedish NGO Office of Nuclear Waste Review, Dezember 2006.
Blue Ribbon Commission on America’s nuclear future (2012): Report to the Secretary of Energy, US Departement of Energy, Washington DC, Januar 2012.
Julin, C. and Sandstedt, H. (1989): Storage of nuclear waste in very deep boreholes: Feasibility study and assessment of economic potential. Part II: Overall facility plan and cost analysis. Svensk Kärnbranslehantering AB.
Nagra, VSE, GKBP, UeW (1978): „Konzept für die nukleare Entsorgung in der Schweiz“. Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle, Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke, Gruppe der Kernkraftwerkbetreiber und –projektanten, Konferenz der Überlandwerke, 9. Februar 1978.
Nagra (1980): Feasibility study for large diameter boreholes for the deep drilling concept of a high-level waste repository ; Forex Neptune SA, Paris, NTB 80-04, Oktober 1980.
National Academy of Sciences (1957): The Disposal of Radioactive Waste on Land.
Sandia (2009): Deep Borehole Disposal of High Level Radioactive Waste. Report SAND2009-4401, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, USA.
SKB (1998): The Very Deep Borehole Concept: Geoscientific Appraisal of Conditions at Great Depth. SKB Technical Report TR-98-05.
Beantwortet von BFE
Die Entsorgung von radioaktiven Abfällen in tiefen Bohrlöchern von der Erdoberfläche aus ist in der Schweiz nicht geplant. Zur Umsetzung eines solchen Lagerkonzeptes ergeben sich nebst (sicherheits-)technischen Vorbehalten auch offene Fragen gesetzlicher, verfahrenstechnischer und politischer Natur.
Die nachfolgende Antwort bezieht sich auf eine rein rechts- und verfahrensbezogene Betrachtung, ob und unter welchen Umständen eine Entsorgung von radioaktiven Abfällen in tiefen Bohrlöchern in der Schweiz möglich ist. Grundsätzlich muss jede Form der Entsorgung radioaktiver Abfälle den bestmöglichen Schutz von Mensch und Umwelt gewährleisten. Für eine umfassende Betrachtung der sicherheitsrelevanten Kriterien und der technischen Umsetzbarkeit der Bohrloch-Entsorgung wird auf die Antwort des ENSI verwiesen.
Das «Entsorgungsprogramm 2008 der Entsorgungspflichtigen» (Nagra Technischer Bericht NTB 08-01), welches am 28. August 2013 vom Bundesrat genehmigt wurde, hält das Konzept fest, nach welchem die radioaktiven Abfälle in der Schweiz entsorgt werden sollen. Darin ist die Entsorgung radioaktiver Abfälle in tiefen Bohrlöchern nicht vorgesehen.
Das Kernenergiegesetz (KEG, SR 732.1) schreibt vor, dass die Entsorgung radioaktiver Abfälle grundsätzlich in geologischen Tiefenlagern zu erfolgen hat. Unter einem geologischen Tiefenlager versteht das KEG eine «Anlage im geologischen Untergrund, die verschlossen werden kann, sofern der dauernde Schutz von Mensch und Umwelt durch passive Barrieren sichergestellt wird». Ob unter einer solchen Anlage auch ein entsprechend ausgestaltetes Bohrloch verstanden werden kann, bleibt weitgehend offen. Die Kernenergiegesetzgebung stellt zudem noch weitere Ansprüche an ein geologisches Tiefenlager, resp. an dessen Standort, so z. B.: die Rückholbarkeit der radioaktiven Abfälle bis zu einem allfälligen Verschluss ohne grossen Aufwand, die Realisierung eines Testbereichs (Felslabors) für standortspezifische Abklärungen und eines Pilotlagers zur Überwachung des Verhaltens der Abfälle, der Verfüllung und des Wirtgesteins bis zum Ablauf der Beobachtungsphase, sowie die Gewähr einer ausreichenden Ausdehnung des Wirtgesteins, günstiger hydrogeologischer Verhältnisse und der geologischen Langzeitstabilität. Ferner muss die Langzeitsicherheit durch gestaffelte passive Sicherheitsbarrieren gewährleistet werden.
Die oben genannten Vorgaben in der Gesetzgebung basieren weitgehend auf den Empfehlungen der «Expertengruppe Entsorgungskonzepte für radioaktive Abfälle» (EKRA). Diese Expertengruppe wurde im Juni 1999 eingesetzt und hatte den Auftrag, die verschiedenen Konzepte für die Entsorgung der radioaktiven Abfälle zu vergleichen und Schlussfolgerungen daraus zu ziehen. Im Februar 2000 veröffentlichte die EKRA ihren Schlussbericht. Ihr Konzept des «kontrollierten geologischen Langzeitlagers» floss weitgehend in das KEG ein. Wenngleich in der Berichterstattung der EKRA die Bohrloch-Variante nicht explizit ausgeschlossen wird, geht die EKRA in ihrem Lagerkonzept implizit von Stollen und Kavernen aus, welche dem Menschen zugänglich sind.
Ob die oben erwähnten gesetzlichen Ansprüche bzw. Forderungen an ein geologisches Tiefenlager auch bei einer Entsorgung in tiefen Bohrlöchern erfüllt wären, ist aus heutiger Sicht ungewiss. Es ist aber nicht auszuschliessen, dass mit entsprechenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dereinst adäquate Lösungen gefunden werden können. Doch selbst in diesem Falle müsste die gewählte Lösung dem EKRA-Konzept gerecht werden. Zudem müsste für die Entsorgung in Bohrlöchern aufgezeigt werden, dass sie relativ zum aktuellen Lagerkonzept in Bezug auf den Schutz von Mensch und Umwelt vergleichbar oder vorteilhaft wäre.
Daneben müssten auch zahlreiche Fragen zur verfahrenstechnischen und auch zur politischen Umsetzung geklärt werden. So könnte beispielsweise der erhöhte Landverbrauch Anlass zu weiteren Diskussionen geben oder die Frage, ob jedes einzelne Bohrloch als eigenständiges geologisches Tiefenlager (inkl. eigenem Bewilligungsverfahren sowie mit jeweils eigenem Testbereich/Pilotlager) gilt, oder ob ganze Bohrlochfelder zu einem Tiefenlager zusammengefasst werden können. Für die allfällige Umsetzung der Entsorgung radioaktiver Abfälle in tiefen Bohrlöchern wäre voraussichtlich eine vertiefte Experten-Diskussion (analog EKRA) und ggf. eine Anpassung der Kernenergiegesetzgebung notwendig.
