Technisches Forum Sicherheit

Frage 136: Bewertungsskala für den Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“

In der Aktennotiz vom 06.11.2015 (ENSI 33/476) stellt ENSI u.a. fest, „[d]ie von der Nagra eingereichten felsmechanischen Grundlagen, getroffenen Annahmen und gewählten Entwurfsindikatoren“ seien „gemäß den Prüfergebnissen nicht ausreichend und nicht robust“. In der Folge sei die Herleitung der Bewertungsskala des Indikators „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ „nicht nachvollziehbar und nicht belastbar“. Dies führte zu einer Nachforderung des ENSI zu diesem Indikator.

Nagra legte in Beantwortung dieser Nachforderung im Juli 2016 eine Reihe von Berichten vor (NAB 16-41 mit einer zusammenfassenden Darstellung, sowie NAB 16-42 bis 16-46 als Referenzberichte). Diese Zusatzdokumentation wurde auf der 32. Sitzung des TFS am 25. August 2016 in einer Präsentation vorgestellt.

Die Zusatzdokumentation der Nagra zeigt deutlich, dass Nagra zu den Gesteins-/Gebirgseigenschaften umfangreiche Untersuchungen durchgeführt hat. Wie auch auf der TFS-Sitzung ausgeführt, wurden sowohl vorhandene Daten, die bisher nicht berücksichtigt worden waren, herangezogen, als auch die Ergebnisse neuer Experimente.

Die Nagra kommt zu dem Ergebnis, dass eine Veränderung der Bewertungsskala für den Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ (wie auch für andere im gegebenen Zusammenhang relevante Indikatoren) nicht erforderlich ist. Lt. Nagra bestätigen die durchgeführten Untersuchungen zur Tiefe der Lagerebene unter Terrain die auch schon früher vorgenommenen Bewertungen – aus Sicht der Bautechnik ist für ein HAA-Lager eine Tiefenlage von 700 m u.T. oder weniger, für ein SMA-Lager eine solche von 600 m u.T. oder weniger zu bevorzugen.

Aus der Zusatzdokumentation geht nicht im Einzelnen hervor, wie dieser Schluss gezogen wurde. Es wird nicht systematisch erörtert, wie die neu herangezogenen Daten zu der Bewertungsskala für den o.g. Indikator in Beziehung stehen und wie aus ihnen abgeleitet wird, dass eine Anpassung der Bewertungsskala nicht erforderlich ist.

  1. Kurze Rekapitulation: Wie wurde die Bewertungsskala für den Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ ursprünglich aus den Daten zu Gesteins-/Gebirgseigenschaften abgeleitet? (Diese Frage wurde u.a. bereits in der 25. Sitzung des TFS am 09. Juni 2015 angesprochen.)
  2. Welche Relevanz haben die in der Zusatzdokumentation neu berücksichtigten Daten im Einzelnen (d.h. im Hinblick auf die Festlegung der Grenzen der einzelnen Bewertungsstufen) für die Bewertungsskala des o.g. Indikators?
  3. Wie kann auf dieser Basis aus den neu berücksichtigten Daten konkret und systematisch abgeleitet werden, dass keine Anpassung der Bewertungsskala erforderlich ist?
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Eingegangen am 10. November 2016 Fragende Instanz Österreich
Status beantwortet
Beantwortet am 18. Mai 2017 Beantwortet von

Beantwortet von Nagra

Für Etappe 2 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager (SGT) wurden die detaillierten Berechnungen für den Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ durch neue Daten und Analysen sowie zusätzliche Berechnungen ergänzt. Die Berechnung der erwarteten Beanspruchung des Gebirges in Funktion der Tiefe hat zu einer anderen Abstufung der Bewertung geführt. Dadurch liegt der Bereich mit einer „sehr günstigen“ Bewertung für das HAA-Lager neu bis in einer Tiefe von 600 Meter unter Tage (m u. T.) und für das SMA-Lager bis 500 m u. T. Für die Beantwortung der Nachforderung des ENSI standen neue Messungen von Opalinustonproben zur Verfügung. Die experimentell erhobenen Daten und das Modell zum Gebirgsverhalten zeigen, dass die Ausprägung und die tektonische Überprägung eine wichtige Rolle spielen. Entsprechend wurden drei Gebirgsmodelle (GM) eingeführt, basierend auf günstigen (GMmax), erwarteten (GMref) und ungünstigen (GMmin) Bedingungen. Neben Berechnungen wurden für die Bewertung auch Gefährdungsbilder und deren Beherrschung abgeleitet. Diese Berechnungen und Bewertungen zeigen, dass mit zunehmender Tiefe die Situation deutlich anspruchsvoller wird.

Einleitung

In der Nordschweiz fallen die betrachteten Wirtgesteine von Norden nach Süden ein, d.h. ihre Tiefe nimmt von Norden nach Süden zu. In SGT Etappe 1 wurde für das SMA- und das HAA-Lager eine grosse maximale Tiefe der Lagerebene zugelassen, was in den Standortgebieten Zürich Nordost (ZNO) und Nördlich Lägern (NL) zu grossen Standortgebieten führte, im Gegensatz zu Jura Ost (JO), wo die Ausdehnung des Standortgebiets nach Süden durch eine regionale Störungszone begrenzt wird. Weiter wurde in Etappe 1 noch von einem umhüllenden Inventar mit Ersatzkernkraftwerken ausgegangen; in Etappe 2 werden die Ersatzkernkraftwerke nicht mehr berücksichtigt. Dies führt für den jetzigen Platzbedarf zu grossen Standortgebieten und erlaubt es, im Hinblick auf die Einengung in SGT Etappe 2 für die Bewertung der Standortgebiete innerhalb der Standortgebiete möglichst optimale Lagerperimeter abzugrenzen, die anschliessend bewertet und für den Vergleich für die Einengung verwendet werden. Dazu werden für Etappe 2 zusätzlich zu den schon in Etappe 1 verwendeten Mindestanforderungen und verschärften Anforderungen neu auch Optimierungsanforderungen festgelegt. Eine dieser Optimierungsanforderungen umfasst die maximale Tiefenlage: Falls es keine zwingenden Gründe gibt, in grosse Tiefen zu gehen (z.B. wegen der Erosion), wird durch die Optimierungsanforderung bzgl. maximaler Tiefenlage angestrebt, die maximale Tiefenlage zu beschränken und solch grosse Tiefen zu vermeiden.

Die unter Berücksichtigung dieser Vorgaben abgegrenzten Lagerperimeter werden anschliessend bewertet. Die dazu durchgeführten Dosisberechnungen ergeben für alle abgegrenzten Lagerperimeter charakteristische Dosisintervalle, die gemäss den Regeln des Sachplans zum Schluss führen, dass alle Standortgebiete „sicher“ und „sicherheitstechnisch gleichwertig“ sind. Ebenso ergibt die qualitative Gesamtbewertung für alle Standortgebiete eine Gesamtbewertung der Stufe „geeignet“ bzw. „sehr geeignet“; d.h. keines der Standortgebiete kann aus Gründen der charakteristischen Dosisintervalle oder der qualitativen Gesamtbewertung zurückgestellt werden. Im Rahmen der vergleichenden Bewertung sieht man jedoch Unterschiede zwischen den Standortgebieten. Dort zeigt sich insbesondere, dass zur Gewährleistung eines genügenden Platzangebots im Standortgebiet NL ein Lagerperimeter verwendet werden muss, welcher die Optimierungsanforderung bzgl. maximaler Tiefenlage nicht erfüllt und der eine deutlich grössere maximale Tiefe der Lagerebene hat als die Lagerperimeter in ZNO und JO (und für SMA in den anderen Standortgebieten der Nordschweiz) – die “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit” wird deshalb für die Einengung wichtig.

a)

Für den Indikator “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit” wurden in Etappe 1 zur Identifika­tion möglicher Wirtgesteine in bautechnisch machbarer Tiefenlage Werte für die Mindestanforderung (MA) für die breit angelegten Kategorien “Sedimentgesteine” und “Kristallingesteine” festgelegt. Für die Optimierung (nur für die subjurassische Zone) und für die Bewertung wurden dann die in Etappe 1 vorgeschlagenen Wirtgesteine explizit berücksichtigt. Die für die Optimierung bzw. Bewertung verwendeten Werte beruhten auf einem Spektrum von Unterlagen (vereinfachte Betrachtungen und detaillierte Berechnungen). Für SGT Etappe 2 wurden die detaillierten Berechnungen durch neue Daten und deren detaillierte Analyse sowie durch eine erhebliche Anzahl von zusätzlichen Berechnungen ergänzt. Die Berechnung der erwarteten Bean­spruchung des Gebirges in Funktion der Tiefe unter Terrain hat zu einer anderen Abstufung der Bewertung geführt, vgl. Tabelle 136-1. Die Mindestanforderungen und die verschärften Anforderungen sind dieselben wie in Etappe 1, der Leitgedanke: „man kann auch in einer Tiefe von 900 (bzw. 800) m u. T. bauen, wenn dies notwendig ist“ gilt für Opalinuston immer noch. Hingegen wird durch die in Etappe 2 neu eingeführte Optimierungsanforderung der Leitgedanke erweitert mit: „In solch grosse Tiefen sollte man nur gehen, wenn dies z.B. wegen der Erosion zwingend notwendig ist, sonst sind solch grosse Tiefen zu vermeiden.“ Mit der Optimierungsanforderung  sollen also Tiefen grösser als 700 m u. T. (für HAA) bzw. 600 m u. T. (für SMA) gemieden werden, wenn es keine zwingenden Gründe für solch grosse Tiefen gibt.

Weiter wurden auch die Bewertungsskalen angepasst. Im Vergleich zu Etappe 1 wird basierend auf den neuen Unterlagen (neue Daten mit besser abgestützten Gebirgsmodellen, zusätzliche Berechnungen zum Verhalten des Gebirges) der Bereich mit einer ‘sehr günstigen’ Bewertung neu für das HAA-Lager bis in eine Tiefe von 600 m u. T. ausgedehnt. Der Bereich mit einer ‘günstigen’ Bewertung liegt deshalb neu zwischen 600 und 700 m u. T, derjenige für eine ‘bedingt günstige’ Bewertung zwischen 700 und 800 m u. T. und derjenige für eine ‘ungünstige’ Bewertung zwischen 800 und 900 m u. T. Ähnliche Überlegungen gelten auch für das SMA-Lager, vgl. Tabelle 136-1.

Tabelle 136-1: Tiefenangaben zum Indikator "Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit"
Tabelle 136-1: Tiefenangaben zum Indikator “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit”

b)

Für die Nachforderung standen neue Messungen von Proben aus dem Felslabor Mont Terri und aus einer untiefen Bohrung in Lausen zur Verfügung. Weiter wurden auf Empfehlung der ENSI-Experten nicht mehr alle Proben der Nordschweiz in der Evaluation berücksichtigt. Das verwendete Modell zum Gebirgsverhalten zur Berechnung der Festigkeitsparameter wurde verfeinert. Das Modell erlaubt es, bei der Herleitung der Festigkeitsparameter für das Grundmaterial Opalinuston die unterschiedliche Ausprägung (Mineralogie bzw. Zementation), die unterschiedliche Versenkungsgeschichte und die unterschiedliche tektonische Beanspruchung zu berücksichtigen. Die mit dem Modell für verschiedene Situationen berechneten Festigkeiten zeigen generell eine gute Übereinstimmung mit den Labormessungen an Opalinuston aus unterschiedlichen Situationen (Proben aus Mont Terri, Lausen, Nordschweiz).

Die experimentell erhobenen Daten und das Modell zum Gebirgsverhalten zeigen, dass die Ausprägung und die tektonische Überprägung eine wichtige Rolle spielen. Entsprechend wurden die Gebirgsmodelle GMmax, GMref und GMmin eingeführt, die bzgl. der berechneten und beobachteten Festigkeiten erhebliche Unterschiede zeigen. Für die Beurteilung der maximalen Tiefenlage ist deshalb die Wahl des Gebirgsmodells (GMmax, GMref oder GMmin) wichtig. Dazu ist zu berücksichtigen, dass der Opalinuston bzgl. seiner Ausprägung eine erhebliche Variabilität aufweisen kann. Die Nagra hat für die Nachforderung für die Nordschweiz das Gebirgsmodell GMref für die Beurteilung als massgebend eingestuft, hat aber auch die anderen Gebirgsmodelle bei der Beurteilung der Tiefenlage evaluiert, vgl. die Antwort zu Teilfrage c.

c)

Für die Berechnungen des Systemverhaltens (Verhalten des Gebirges und des Hohlraums mit seinem Ausbau in einem Spannungsfeld (abhängig von der Tiefe unter Terrain) unter Berücksichtigung des Bauvorgangs) wurden für die Nachforderung modifizierte Modelle verwendet. Weiter wurde zur Vermeidung von Konservativitäten auf die Verwendung von Sicherheitsfaktoren verzichtet. Die für die Nachforderung verwendeten Modelle erlauben eine bessere Berücksichtigung des Bauvorgangs und des Ausbaus (realistischere Abbildung der Stützwirkung unter Berücksichtigung der “Vorentlastung”). Weiter wurde ein breiteres Spektrum an Rechenprogrammen verwendet. Für die Auswertung steht ein breites Spektrum an Rechenresultaten zur Verfügung. Für die Beurteilung der grundsätzlichen Machbarkeit wurden die Rechenergebnisse für das ungünstigste Gebirgsmodell GMmin verwendet, weil aus Sicht der Nagra in keinem der Standortgebiete ausgeschlossen werden kann, dass es Zonen mit ungünstigen Gebirgseigenschaften gibt, welche mit den Lagerstollen durchfahren werden (evtl. ohne dort Endlagerbehälter einzulagern); es wird jedoch nicht erwartet, dass in einem der Standortgebiete Bedingungen mit GMmin flächendeckend vorhanden sind. Weiter wurde für diese ungünstige Situation auch eine Grobauslegung des Ausbaus gemacht. Die Berechnungen und Analysen zeigen, dass für ungünstige Gebirgseigenschaften (GMmin) die Machbarkeit voraussichtlich auch in 900 m u. T. gegeben ist, auch wenn die Bedingungen dort sehr anspruchsvoll sein können.

Für die Bewertung des Standortgebiets werden die Rechenergebnisse zum Deformationsverhalten für das Gebirgsmodell GMref verwendet. Weiter wurden auch Berechnungen zum Deformationsverhalten mit dem Gebirgsmodell GMmax durchgeführt, diese sind in der abgegebenen Dokumentation nicht enthalten, weil dieses Gebirgsmodell aus Sicht der Nagra für die Bewertung nicht massgebend ist. Die Berechnungen zum Deformationsverhalten zeigen die Konvergenz (das “Zusammengehen” des Hohlraums in vertikaler und horizontaler Richtung) in Abhängigkeit des Ausbauwiderstands (Stützwirkung). Dort ist zu berücksichtigen, dass die effektiv erzielte Stützwirkung vom Bauvorgang und der Art des Ausbaus abhängt (Ort bzw. Zeitpunkt des Einbaus der Stützelemente und deren Verhalten (“Ausweich- bzw. Widerstandsprinzip”)).

Neben den Berechnungen wurden für die Bewertung der Tiefenlage auch Gefährdungsbilder abgeleitet und deren Beherrschung in Abhängigkeit der verschiedenen möglichen Bauvorgänge und Ausbauvarianten qualitativ bewertet, wie dies im schweizerischen Tunnelbau üblich ist. Die Gefährdungsbilder betreffen die Arbeitssicherheit und den Gesundheitsschutz (während Bau, Betrieb und Verschluss), die Machbarkeit (Ausführung), die Gebrauchstauglichkeit (Einlagerung, allfällige Rückholung) und mögliche Auswirkungen auf die Langzeitsicherheit (vertikaler Migrationspfad, Nuklid-Transport entlang Stollen und Zugangsbauwerken, Eigenschaften der technischen Barrieren (Endlagerbehälter)). Die Bewertungen wurden für die verschiedenen heute vorhandenen, grundsätzlich in Frage kommenden Bauvorgänge und Ausbauvarianten für die Gebirgsmodelle GMmin, GMref und GMmax und für verschiedene Tiefenlagen durchgeführt. Die verschiedenen Bauvorgänge und Ausbauvarianten unterscheiden sich teilweise bzgl. ihrer Möglichkeiten, mit Massnahmen die verschiedenen Gefährdungen in ihrem Auftreten bzw. in ihrer Auswirkung zu begrenzen.

Die Berechnungen und Bewertungen zeigen, dass mit zunehmender Tiefe die Situation deutlich anspruchsvoller wird – eine grosse Tiefe ist aus Sicht der Nagra anspruchsvoll wegen des Gebirgsverhaltens und wegen der z.T. beschränkten Möglichkeiten für technische Massnahmen. Bei der Bewertung wurde der Hinweis des ENSI (ENSI 33/154, S. 10/11) berücksichtigt, welcher besagt: “Günstig sind bautechnisch einfach beherrschbare Verhältnisse, bei denen sich durch die Tiefenlage keine extremen Anforderungen bei der Erstellung, beim Betrieb, bei der Überwachung (inkl. einer eventuellen Rückholung) oder beim Verschluss des Lagers ergeben und wo es durch den gewählten Ausbau nicht zu einer signifikanten Beeinträchtigung der technischen Barrieren kommen kann.

Die Berechnungen und Bewertungen führen wiederum zur übergeordneten Schlussfolgerung der Nagra, dass grosse Tiefen zu vermeiden sind, wenn es keine zwingenden Gründe gibt (z.B. die Erosion), welche den Bau eines Lagers in solch grossen Tiefen verlangen.

Referenzen:

NAB 16-45: ENSI-Nachforderung zum Indikator “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit” in SGT Etappe 2 – Projektkonzepte für die Lagerkammern und Versiegelungsstrecken und deren Bewertung.
ENSI 33/154: Präzisierungen zur sicherheitstechnischen Methodik für die Auswahl von mindestens zwei Standortgebieten je für HAA und SMA in Etappe 2 SGT.