Frage 130: Anforderungen an Endlagerbehälter und Lager für die Rückholbarkeit im sicherheitstechnischen Vergleich
In der Antwort auf Frage 95 blieben die Teilfragen nach Mindestanforderungen und Kriterien, welche angewendet würden um eine Rückholung ohne grossen Aufwand tatsächlich auszulösen, wie jene zur Beurteilung der Verhältnismässigkeit einer Rückholung weitgehend unbeantwortet. Beantwortet wurde die Frage, dass das ENSI verantwortlich ist, Massnahmen anzuordnen wenn unmittelbare Gefahr droht. Wenn die Barrieren so versagen sollten, dass unmittelbare Gefahr droht, muss wohl von einem Störfall ausgegangen werden. Um eine Rückholung wegen gefährdeter Langzeitsicherheit durchzuführen, wäre nach BFE eine Änderung der Betriebsbewilligung, allenfalls der Baubewilligung erforderlich. Eine Rückholung setzt einen politischen Entscheid voraus. Um einen solchen zu erwirken läge die Beweislast wohl beim ENSI, die Kosten wären nicht durch Rückstellungen gedeckt. In der Antwort zur Frage 95 werden Zirkelschlüsse erkennbar:
Dürfen Vorkehrungen zur Rückholbarkeit ohne grossen Aufwand während der Betriebsphase (also einschliesslich der Beobachtungsphase) passive Sicherheitsbarrieren und damit die Langzeitsicherheit nicht beeinträchtigen (95e)
Sind die Anforderungen an Endlagerbehälter und Einlagerungskonzept, damit mindestens bis zum Ende der Beobachtungsphase Rückholung ohne grossen Aufwand möglich ist, noch auffallend vage.
Bei SMA- und LMA-Abfällen bedeutet das, dass Endlagerbehälter Anforderungen genügen müssten, welche den in der Einlagerung auftretenden Belastungen Rechnung trägt. Diese sind für die Langzeitsicherheit bedeutsam.
Es stellen sich deshalb folgende Anschlussfragen:
Welchen Anforderungen müssen SMA- und LMA-Lagerbehälter genügen, um die Rückholbarkeit (R) nach ENSI-GO3 (Kap 5.1.4) zu gewährleisten?
Wie lässt sich die Rückholbarkeit aus diesen Anforderungen gemäss a) ableiten und welche Grenzen ergeben sich? Welches sind die Auswirkungen von Anforderungen an Behältern und Lagerauslegung auf die Langzeitsicherheit (LS)? Ist es richtig, dass die Wirkung von R auf LS nicht null ist (Rückholbarkeit ohne grossen Aufwand ist nicht gratis zu haben)?
Wenn sich Rückholbarkeit auf die Langzeitsicherheit auswirkt, wie wird den Anforderungen an die Rückholbarkeit im sicherheitstechnischen Vergleich in der 2 Etappe Rechnung getragen? Ist die Eignung von Wirtgesteinen und Standortregionen für Rückholbarkeit unterschiedlich? Wie wurden den Unterschieden Rechnung getragen?
Wäre es zweckmässig, die Anforderungen an SMA/LMA-Lagerkavernen und Endlagerbehälter hinsichtlich Rückholbarkeit, welche aus dem sicherheitstechnischen Vergleich Etappe 2 ergeben, in einem 1:1 Experiment in Etappe 3 zu überprüfen?
Die Sicherstellung einer möglichen „Rückholung ohne grossen Aufwand“ bis zum Ende der Betriebsphase eines geologischen Tiefenlagers ist Teil des gesetzlichen Auftrags an die Entsorgungspflichtigen. Massnahmen zur Rückholung dürfen die Langzeitsicherheit nicht beeinträchtigen. Für die SMA- und LMA-Lagerbehälter sieht das ENSI vor allem die Gewährleistung der Handhabbarkeit bis zum Lagerverschluss. Aufgrund der Unterordnung der Rückholung unter die Langzeitsicherheit sind für die Rückholung Konzepte zu entwickeln, die die Wirkung der Rückholbarkeit auf die Langzeitsicherheit minimieren. Das ENSI sieht für Etappe 2 des Sachplanverfahrens bezüglich Rückholbarkeit keine Aspekte, die das eine oder andere Standortgebiet bevorzugen würden. Ein 1:1-Experiment käme zum jetzigen Zeitpunkt viel zu früh.
Das ENSI erkennt in seiner Antwort zu TFS-Frage 95 keine Zirkelschlüsse, wie scheinbar vom Fragesteller „erkannt“. Die Rückholung ohne grossen Aufwand muss bis Ende der Beobachtungsphase (und damit bis Ende der Betriebsphase) möglich sein. Jegliche Massnahme zur Sicherstellung der Rückholbarkeit darf die Langzeitsicherheit nicht beeinträchtigen. Diese Aussagen klären die Prioritäten: Die Wahrung der Langzeitsicherheit eines Lagers wird als prioritär gegenüber der Wahrung der Rückholbarkeit eingestuft. Der Aspekt der Rückholbarkeit hat gegenüber der Langzeitsicherheit bei der Standortsuche eine untergeordnete Rolle. Der Entscheid zu einer Rückholung der Abfälle (oder auch nur einer Teilrückholung) kann sich auch aus Gründen ergeben, die nichts mit einer Gefahr oder eines Störfalls zu tun haben. So könnten sich für die radioaktiven Abfälle neue Entsorgungswege ergeben oder ökonomische Gründe würden dafür sprechen, Teile der radioaktiven Abfälle z. B. aufgrund der darin vorhandenen Rohstoffe wieder zu bergen.
Ein Szenario, das eine Gefahr für Mensch und Umwelt einschliesst, ist jedoch grundsätzlich denkbar. Laut Richtlinie ENSI-G03 kann aus sicherheitstechnischen Gründen eine Rückholung angeordnet werden, falls es während der Betriebsphase Hinweise auf ein Versagen des Barrierensystems gibt (das Lager funktioniert nicht so wie vorausgesagt), eine zielführende Instandsetzung nicht möglich ist und deshalb die Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers nicht mehr gewährleistet werden kann. Auch in diesem Fall kann die Rückholung das gesamte eingelagerte Abfallinventar oder nur Teile davon betreffen. Bei einer angestrebten Teilrückholung ist auf den im Lager verbleibenden Rest der Abfälle Rücksicht zu nehmen. Bei einer vollständigen Aufgabe des Lagers müsste bezüglich der Langzeitsicherheit des Standorts keine Rücksicht genommen werden. Ziel wäre dann die sichere Bergung aller Abfälle.
a)
Gemäss Richtlinie ENSI-G03 sind die Lagercontainer bezüglich mechanischer Beständigkeit so auszulegen, dass sie mindestens bis zum Ende der Beobachtungsphase ohne grossen Aufwand rückgeholt werden können (Kap. 5.1.4). Für die mechanische Beanspruchung der Behälter bei der Rückholung ist von ähnlichen Bedingungen auszugehen wie bei der Einlagerung. Die mechanischen Anforderungen bleiben daher für die gesamte Beobachtungsphase gültig. Zusätzliche Anforderungen könnten sich aufgrund der durch den Lagerbetreiber vorgesehenen Technik zur Rückholung ergeben. Da die Dauer der Beobachtungsphase nicht gesetzlich vorgegeben ist, sind konservative Annahmen zur Dauer der Beobachtungsphase zu unterstellen. Für SMA- und LMA-Behälter müssen die von der Nagra aktuell vorgesehenen Betonbehälter, die je eine kleine Anzahl endlagerfähiger Gebinde enthalten, jeweils so mit Zementmörtel umgeben werden, dass sie auch aus einer mit Zementmörtel verfüllten Kaverne wieder als individuell trennbare Einheiten herausgelöst und rücktransportiert werden können.
Gemäss Art. 14 des Kernenergiegesetzes (KEG) werden in der Rahmenbewilligung zu einem geologischen Tiefenlager die Grundzüge der Anlage festgelegt. Damit verbleibt zu diesem Zeitpunkt für die Behälterwahl und -dimensionierung noch eine grössere Flexibilität. Das detaillierte Behälterdesign wird erst im Rahmen der Baubewilligung festgelegt werden. Auf diesen Zeitpunkt hin, ist es aus Sicht des ENSI ggf. sinnvoll, detailliertere Anforderungen an die Rückholbarkeit dieser Behälter zu stellen, falls die Nagra nicht selber solche in ihren Behälterspezifikationen festlegt und dem ENSI zur Genehmigung vorlegt. Dies ist in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Richtlinie ENSI-G03, gemäss derer mit dem Baubewilligungsgesuch ein Konzept für eine allfällige Rückholung der Abfälle dem ENSI zur Prüfung und Genehmigung vorzulegen ist. Erst die von der Nagra vor der Betriebsbewilligung in den Testbereichen demonstrierte Rückholung von Endlagerbehältern definiert final, wie die Behälter im Falle einer Rückholung gehandhabt werden sollen, welche mechanischen und thermischen Belastungen dabei auftreten und wie die Behälter darauf ausgelegt werden müssen.
b)
Die Stossrichtung dieser Frage ist für das ENSI unklar. Die Rückholbarkeit wird nicht „aus den Anforderungen abgeleitet“, sondern umgekehrt müssen die Anforderungen sicherstellen, dass eine Rückholbarkeit grundsätzlich bis zum Verschluss des Lagers umsetzbar bleibt.
Für das gegenwärtig von der Nagra verfolgte Endlagerkonzept für die LMA- und SMA-Lager bzw. -Lagerteile ist zu erwarten, dass der Prozess der Einlagerung und möglichen Rückholung der Endlagerbehälter sehr ähnlich erfolgt (bei der Rückholung einfach rückwärts) und keine signifikanten Einschränkungen bezüglich der Langzeitsicherheit verursacht. Denkbare Einflüsse der Rückholbarkeit auf die Langzeitsicherheit des Tiefenlagers könnten grundsätzlich untertägige Bauten darstellen, in denen Maschinen für die Rückholung vorgehalten oder Rückholungskonzepte, aufgrund derer die für die Tiefenlagerung notwendigen Tunnelquerschnitte bei einer Rückholung vergrössert werden müssten. Zusätzliche oder vergrösserte untertägige Bauten würden eine zusätzliche Verletzung der Geosphäre darstellen: Eine solche gilt es im Sinne der auf die Geosphäre abstützenden Langzeitsicherheit zu minimieren gilt. Solche Schädigungen sind sorgfältig bzgl. deren Einfluss auf die Langzeitsicherheit abzuwägen und ggf. Lösungen zu suchen, die ohne zusätzliche Schädigung der Geosphäre auskommen. Wenn die Massnahmen zur Sicherstellung der Rückholbarkeit tatsächlich eine zusätzliche Schädigung der Geosphäre bewirken würde, wäre die Rückholung effektiv „nicht zum Nulltarif erhältlich“. Das ENSI wird jedoch die entsprechenden Konzepte sorgfältig prüfen und auf die Priorität der Langzeitsicherheit achten.
c)
Die Rückholung ohne grossen Aufwand ist ein vom Gesetz vorgegebener Prozess, der für alle potenziellen Standortgebiete gleichermassen gilt und in einem Vergleich zwischen den Standortgebieten eines Lagertyps jeweils auch die gleichen Abfallarten umfasst. Es ist für die in Etappe 1 SGT in den Sachplan aufgenommenen Standortgebiete nicht zu erwarten, dass der Aspekt der Rückholbarkeit bei der Einengung der Standortgebiete in Etappe 2 SGT eine relevante Rolle spielt. Das Erstellen und Unterhalten der untertägigen Bauten muss grundsätzlich betrachtet werden und nicht mit besonderem Fokus auf die Rückholung. Folglich ist die Rückholbarkeit zwar ein zusätzlich zu beachtender Aspekt, der aber aus Sicht des ENSI vollständig durch die sonstigen Anforderungen an Bau und Betrieb der untertägigen Anlagen abgedeckt wird.
d)
Neben der theoretischen Entwicklung eines Konzepts zur Rückholung ist es sicher zu gegebener Zeit sinnvoll, die Wahl eines finalen Konzepts mit praktischen Handhabungsversuchen zu unterstützen. Solche Tests müssen nicht notwendigerweise am Standort selbst erfolgen. Zur Minimierung der Schädigung des geologischen Untergrundes (vgl. Antwort zu Frage b), wären Versuche bis zur Reife eines Konzepts bis hin zu einem finalen Rückholungsexperiment vorzugsweise nicht am Standort zu testen und entwickeln, sondern beispielsweise in einem Felslabor in einem tonigen Wirtgestein. Ob dazu ein 1:1-Experiment benötigt wird, müsste fallweise entschieden werden. Dass ein solches Experiment bereits während Etappe 3 durchzuführen ist, hält das ENSI eindeutig für zu früh, da auch für Etappe 3 nicht davon ausgegangen wird, dass der Aspekt der Rückholung entscheidrelevant sein wird und da erst zum Gesuch für die Baubewilligung ein Konzept zur Rückholung vorgelegt werden muss.
Beantwortet von swisstopo
d)
Im Mont Terri Felslabor wurden seit 1996 mehrere Demonstrations-Experimente im Massstab 1:1 (EB, FE) oder auch in kleineren Massstäben 1:2 oder 1:2.5 (HE-E, HG-A) durchgeführt. Die maximalen Durchmesser dieser Kavernen betrugen 3 m und zwar in statisch günstigen Profilen (Hufeisenform oder Kreisform). Ein 1:1 Experiment zur Abklärung der Rückholung von SMA und LMA Abfällen hätte riesige Dimensionen (11×13 m) und würde den Rahmen bisheriger Experimente deutlich übertreffen. Die Demonstration der Rückholung wäre möglich und auch wünschenswert (z.B. zeigen, wie ein SMA-Endlagerbehälter herausgefräst werden kann). Der Aufwand wäre aber riesig und die Kosten beträchtlich. Um die Auswirkungen einer hoch pH-Fahne auf die Integrität der Barriere zu zeigen, wäre so ein 1:1 Experiment nicht geeignet, da dazu viel längere Zeiträume notwendig wären. Solche Fragestellungen werden teilweise auch schon mit bestehenden Experimenten (z.B.: cement pore water interaction) abgedeckt. Erfahrungen beim Ausbruch und der aufwändigen Sicherung einer grossen Kaverne im Opalinuston bestehen bereits aus der FE-A Nische am Mont Terri. Dort konnte neben dem Verformungsverhalten auch die Ausbildung der EDZ studiert werden. Alternativ zu einem 1:1 Experiment schlagen wir die Demonstration von Teilaspekten der Rückholung vor. So könnte z.B. in einer bestehenden Nische ein SMA-Endlagerbehälter als Dummy eingemörtelt werden und danach die von der Nagra vorgeschlagenen Methoden der Rückholung auf ihre Eignung hin überprüft werden.
Aus unserer Sicht wäre zuerst zu prüfen, ob das Konzept mit dem Querschnitt einer 13 m hohen und ca. 11 m breiten Kaverne, welche sich im Profil einer Rechteckform annähert, überhaupt statisch gesehen optimal wäre. Grössere Kavernen im Opalinuston werden in elliptischer oder runder Form ausgebildet, um die Gebirgsspannungen möglichst gleichmässig aufnehmen zu können (siehe FE-A Nische). Technik und Konzept der Kaverne wurde ursprünglich für Mergel entwickelt und müsste für den spezifischen Fall des OPA überprüft werden, so z.B. die Wahl der Normalprofile der Kavernen. Die Festigkeiten der geologischen Barriere liegen bei den Anforderungen für SMA-Kavernen (NTB 08-05) eher im ungünstigen bis bedingt günstigen Bereich (5-20 MPa). Im Opalinuston am Mont Terri betragen die Festigkeiten (UCS) in der tonigen Fazies senkrecht zur Schichtung 7 MPa und parallel zur Schichtung 10.5 MPa, resp. 16 MPa und 18 MPa für die sandige Fazies (Jaeggi et al., 2014). Grosse Kavernen haben in Tiefen von 200 – 800 m auch eine grosse EDZ zur Folge und müssen bei grossen Spannweiten massiv gesichert werden. Bei grossen Kavernen kann zudem nicht mehr ein vollflächiger Ausbruch erfolgen. Der Ausbruch muss etappenweise ausgeführt werden, in Kalotte, Paramente und Sohle. Dies hat die Ausbildung einer komplexen EDZ zur Folge. Die Gefahr von Niederbrüchen während dem Bauvorgang steigt. Solche Szenarien müssen in einem geologischen Tiefenlager unbedingt vermieden werden. Zudem stellt sich auch die Frage, wie relevant eine Rückholung bei SMA und LMA gegenüber den HAA überhaupt ist. Die allfällige Rückholung bei den SMA-Abfällen sollte auf eine limitierte Zeitspanne festgelegt werden, welche die garantierte Lebensdauer des Bauwerks (Zugangsstollen und Einlagerungskavernen) nicht übersteigt, z.B. 100 Jahre (SIA 197). Nach dieser garantierten Lebensdauer wird eine Rückholung sehr schwierig.
Was kann mit einem 1:1 Experiment am Standort Mont Terri voraussichtlich zweckmässig demonstriert oder simuliert werden?
Bautechnische Machbarkeit einer grossen Kaverne im Opalinuston
Verhalten der Kaverne (Deformationen) während Ausbruch und nach Einbau der Stützmittel
Bestimmen von Geometrie und Grösse der Auflockerungszone (EDZ), sowie deren Selbstabdichtung über längere Zeitspannen
Demonstration der Einlagerung, Einbringung SMA-Endlagerbehälter und Verfüllmörtel
Kurzfristiges Verhalten des Verfüllmörtels
Rückholung des SMA-Endlagerbehälters aus dem Verfüllmörtel nach 10-15 Jahren mit geeigneten Mitteln (fräsen, bohren, schneiden, mechanisch abbrechen)
Was kann mit einem 1:1 Experiment am Standort Mont Terri nicht simuliert werden?
Verhalten der Kaverne und der SMA-Endlagerbehälter, inkl. Matrix unter natürlichen gesättigten Bedingungen
Langfristiges Deformationsverhalten der Kaverne, inkl. des Inhalts
Aufsättigung und Entfestigung des Gebirges
Auswirkungen der pH-Fahne auf die Stabilität der Kaverne
Auswirkungen der Korrosions- und Degradationsgase auf das Verhalten des Systems
Generell dauern die drei zuletzt erwähnten Prozesse zu lange, als dass in 1:1 Experimenten eine Aussage gemacht werden könnte. Die Aufsättigung und Entfestigung des Gebirges (Mayor et al., 2007), die Auswirkungen der pH-Fahne (Jenni & Mäder, 2014) und der Korrosions- und Degradationsgase (Marschall et al., 2017) auf das Verhalten des Systems werden bereits in anderen Experimenten angegangen, zwar nicht in grossen Kavernen, dafür aber in kleinen Stollenabschnitten oder Bohrungen. Die daraus gewonnenen Resultate gelten wahrscheinlich auch für eine SMA Kaverne.
Zusammenfassend halten wir die Durchführung eines 1:1 Rückholexperimentes für SMA Abfälle machbar, aber mit hohem finanziellem Aufwand verbunden. Das Nutzen-Kosten Verhältnis scheint eher klein zu sein. Wir halten es daher für realistischer, Komponenten oder Teilaspekte der Rückholung in in-situ Experimenten zu testen. So könnte man beispielsweise einen kleinen Teil einer solchen Einlagerungskaverne nachbauen, mit ein paar vermörtelten SMA-Endlagerbehältern. Dort könnte man die Eigenschaften (hydraulische, mechanische, usw.) des frischen Mörtels testen und im Anschluss nach ein paar Jahren ein Dismantling (z.B. Herausfräsen) durchführen. Dies würde insbesondere die technische Machbarkeit der Rückholung nach Verfüllung der Lagerkaverne aufzeigen, welche aus unserer Sicht sehr aufwändig wäre. Die in NTB 98-04 vorgeschlagenen Verfahren zur Bergung der voll vermörtelten Kanister könnten so auf ihre Eignung und Zweckmässigkeit hin überprüft werden.
Am Mont Terri wurde seit 1996 bereits eine Reihe von gross-skaligen Demonstrationsexperimenten durchgeführt (Bsp. Mayor et al. 2007, Gauss et al., 2014). Jedoch wurde eine realistische 1:1 Rückholung von Abfällen noch nie vollständig durchgespielt. Zudem zielen die bisherigen Experimente vor allem auf das Einlagerungskonzept für HAA Abfälle. Jedoch konnten beim Bau der FE-A Nische in den Jahren 2010 und 2011 einige Lektionen bezüglich Exkavation, Einbau von Stützmitteln und Deformationsverhalten einer grossen Kaverne im Opalinuston gelernt werden (Jaeggi et al., 2012, Fretz & Burrus, 2012).
Die FE-A Nische wurde etappenweise ausgebrochen in Kern (4 Etappen) und Paramente (8 Etappen). So konnten die Deformationen während dem Bauvorgang in Grenzen gehalten werden.
Beim Bau der FE-A Nische mit Dimensionen von 9.1 x 7.3 m wurde eine elliptische Form gewählt, mit massivem Ausbau mit Gitterträgern und einer massiv ausbetonierten Sohle. Die so erstellte Kaverne ist auch über längere Zeiträume sehr stabil.
Die EDZ der FE-A Nische konnte beim späteren Bau des FE Tunnels sehr genau analysiert werden und es wurden Extensionklüfte bis 7 m ins Gebirge hinein beobachtet (=ca. 1 Kavernendurchmesser!). Beim Bau von Kavernen unter grösserer Überlagerung ist von einer grösseren EDZ oder plastischen Zone auszugehen.
Beim Bau von FE-A Nische und dem anschliessenden FE Tunnel zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Deformationen von der Schichtungsanisotropie und dem Auftreten von Bruchzonen in oder direkt unterhalb der Sohle.
Abschliessend halten wir ein 1:1 Demonstrationsexperiment, um die Rückholung der SMA-Abfälle in-situ zu demonstrieren, für zu aufwändig. Aus unserer Sicht wäre das Nutzen-Kostenverhältnis fragwürdig. Wir empfehlen, das bestehende Konzept zuerst auf die Anwendung im Opalinuston hin zu überprüfen und anschliessend mit bestehenden Experimenten oder mit neuen Experimenten gewisse relevante Teilaspekte der Rückholung zu testen.
Referenzen
Fretz, R. & Burrus, F. (2012): FE-A (site preparation for FE) experiment – 3D convergence measurements of the FE-A and EM niches. Mont Terri Technical Note TN2011-20.
Gaus, I., Wieczorek, K., Schuster, K., Garitte, B., Senger, R., Vasconcelos, R. & Mayor, J.C. (2014): EBS behavior immediately after repository closure in a clay host rock: HE-E experiment (Mont Terri URL). Geological Society, London, Special Publications, first published March 7, 2014; Doi 10.1144/SP400.11.
Jaeggi, D., Bossart, P. & Wymann, L. (2014): Kompilation der lithologischen Variabilität und Eigenschaften des Opalinus-Ton im Felslabor Mont Terri – Beurteilung der sicherheitsrelevanten Gesteinsparameter aus dem Felslabor und ihre Übertragbarkeit auf die Standortgebiete. Expertenbericht der Landesgeologie 09-08. Wabern, Schweiz.
Jaeggi, D., Müller, P., Dolder, F. & Nussbaum, C. (2012): FE-A Experiment: Site preparation for Full-Scale Emplacement Demonstration Experiment – Geological and structural mapping of the FE-A niche (start niche). Mont Terri Technical Note TN2011-19.
Jenni, A. & Mäder, U. (2014): CI (Cement Clay Interaction) Experiment: SEM/EDX characterization of concrete/Opalinus Clay interfaces from 2nd sampling campaign and comparison to state after 1st sampling. Mont Terri Technical Note TN2014-82.
Marschall, P., Giger, S., De La Vassière, R., Shao, H., Leung, H., Nussbaum, C., Trick, T., Lanyon, B., Senger, R., Lisjak, A., & Alcolea, A. (2017). Hydro-mechanical evolution of the EDZ as a transport path for radionuclides and gas: insights from a dedicated experimental programme in the Mont Terri rock laboratory. Swiss Journal of Geosciences, 110.
Mayor J.C., García-Siñeriz J.L. , Alonso E. , Alheid H.-J., Blümling P. (2007): Engineered barrier emplacement: experiment in Opalinus Clay for the disposal of radioactive waste in underground repositories. In: Bossart, P. and Nussbaum, C., (Eds.): Mont Terri Project – Heater Experiment, Engineered Barriers Emplacement and Ventilation Tests. Rep. Swiss Geol. Surv. 1.
Nagra (1998): Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle am Standort Wellenberg – Etappen auf dem Wege zum Verschluss; präzisierende Darstellung der Kontrollierbarkeit und Rückholbarkeit. Nagra Technischer Bericht NTB98-04. Wettingen, Schweiz.
Nagra (2008): Vorschlag geologischer Standortgebiete für das SMA- und das HAA-Lager – Begründung der Abfallzuteilung, der Barrieresysteme und der Anforderungen an die Geologie – Bericht zur Sicherheit und technischen Machbarkeit. Nagra Technischer Bericht NTB08-05. Wettingen, Schweiz.
SIA 197: Projektierung Tunnel – Grundlagen
Beantwortet von Nagra
Die gesetzlich vorgeschriebene Rückholbarkeit beeinträchtigt die passiven Sicherheitsbarrieren – und damit die Langzeitsicherheit – nicht. Hingegen beeinflusst die Rückholbarkeit die Auslegung des tragenden Ausbaus des geologischen Tiefenlagers. So verlangt zum Beispiel eine längere Nutzungsdauer „bis zu einem allfälligen Verschluss“ (Art. 37 Abs. 1 Bst. b KEG) einen verstärkten Ausbau der Stollen und Kavernen, weil mit der Zeit die Beanspruchung zunehmen kann. Im sicherheitstechnischen Vergleich ist berücksichtigt, dass die Beanspruchung des Ausbaus vom Zeitpunkt einer allfälligen Rückholung und von der Tiefenlage abhängig ist. Je tiefer also ein geologisches Tiefenlager gebaut wird, desto höher ist der Gebirgsdruck und desto stärker nimmt die Beanspruchung mit der Zeit zu. Die Kernenergieverordnung (Art. 65 Abs 2 Bst. b und c) verlangt die Durchführung von 1:1-Experimenten zur Rückholbarkeit untertag im Testbereich am ausgewählten Standort für ein geologisches Tiefenlager. Diese Experimente müssen erst für die nukleare Betriebsbewilligung durchgeführt werden. 1:1-Experimente bereits in Etappe 3 des Sachplanverfahrens durchzuführen, ist aus Sicht der Nagra nicht zweckdienlich, weil die erforderlichen Randbedingungen nur am betreffenden Standort geschaffen werden können. Die grundsätzliche technische Machbarkeit der Rückholung wird hingegen bereits mit den Unterlagen zum Rahmenbewilligungsgesuch aufgezeigt werden müssen. Dazu sieht die Nagra vor, die Rückholung auf Stufe von Konzeptstudien aufzuzeigen und verweist auf verschiedene Experimente.
c)
Die Nagra setzt sich schon seit längerer Zeit mit der Rückholung auseinander. Erste Studien wurden Mitte der 1980er-Jahre durchgeführt. 1998 veröffentlichte die Nagra den NTB 98-04, in dem die Rückholbarkeit schwach- und mittelaktiver Abfälle für den Standort Wellenberg betrachtet wurde. 2002 wurde mit dem Entsorgungsnachweis für hochaktive Abfälle auch die Rückholbarkeit derselben betrachtet (NTB 02-02, Kap. 9).
Im schweizerischen Entsorgungsprogramm sind die Überwachung und Rückholbarkeit der Abfälle integraler Bestandteil der Tiefenlagerkonzepte. Die Möglichkeit, allfällige Entscheide rückgängig zu machen und insbesondere Abfälle aus dem Tiefenlager zurückzuholen, wurde im Rahmen des Projekts „Reversibility and Retrievability“ der OECD/NEA gründlich untersucht. Der Aufwand zur Rückholung steigt mit dem Projektfortschritt ab Einlagerungsbeginn bis hin zum Verschluss des Tiefenlagers, was auch dem Prinzip der Tiefenlagerung entspricht (möglichst hohe passive Sicherheit).
Art. 37 Abs. 1 Bst. b. KEG verlangt, dass „die Rückholung der radioaktiven Abfälle bis zu einem allfälligen Verschluss ohne grossen Aufwand möglich ist“. Eine Rückholung wäre auch nach dem Verschluss noch möglich, allerdings nur mit vergleichsweise hohem technischem und finanziellem Aufwand (vgl. Figur 130-1).
Figur 130-1: Beziehung zwischen Aufwand und Kosten einerseits und zwischen aktiver und passiver Sicherheit andererseits mit fortschreitendem Einlagerungs- und Verschlussprozess. Quelle: OECD/NEA www.oecd-nea.org/rwm/rr/documents/R-Scale-Leaflet_ENG_WEB.pdf.
Entsprechend den gesetzlichen Anforderungen wird die Rückholbarkeit der Abfälle stufengerecht betrachtet. Dazu sind folgende Schritte vorgesehen:
Rahmenbewilligungsgesuch (RBG): Mit dem RBG wird ein Konzept für die Beobachtungsphase und den Verschluss (inkl. Konzeptstudien zur Rückholung für die Beschreibung der Anlage in den Grundzügen) verlangt.
Erdwissenschaftliche Untersuchungen Untertag (EUU) vor Ort: Die EUU dienen als Datenbasis für die Festlegung der Lagerauslegung.
Baubewilligungsgesuch: Teil der Gesuchsunterlagen ist ein Konzept für eine allfällige Rückholung gemäss der Richtlinie ENSI-G03. Dieses Konzept wird dem ENSI zur Prüfung vorgelegt.
Betriebsbewilligungsgesuch: Bevor das Departement die Bewilligung für den Einlagerungsbetrieb erteilt, müssen im Testbereich untertag und vor Ort Verfahren und Techniken zur Entfernung der Verfüllmaterialien und der Rückholung der Abfallgebinde erprobt und deren Funktionstüchtigkeit nachgewiesen werden. Dies ist in Art. 65 Abs. 2 KEV festgehalten. Die Betriebsbewilligung wird dann erteilt, wenn die Rückholung bis zu einem allfälligen Verschluss des geologischen Tiefenlagers ohne grossen Aufwand möglich ist (Art. 37 KEG).
Die schwach- und mittelaktiven Abfälle werden in Endlagerbehältern aus Beton verpackt (Figur 130-2). Hohlräume zwischen den Abfällen oder den einzeln eingelagerten Abfallgebinden werden mit einem speziellen Zementmörtel verfüllt. Diese Endlagerbehälter werden in die Lagerkavernen nach Untertag transportiert und in die Lagerkavernen eingelagert.
Figur 130-2: Im Entsorgungskonzept sieht die Nagra neu kleinere Endlagerbehälter für die schwach- und mittelaktiven Abfälle vor (LC-84/86), die aufgrund der kleineren Dimensionen besser handhabbar sind und sich entsprechend einfacher rückholen lassen. Quelle: NTB 14-04
Die SMA-Endlagerbehälter werden in der Kaverne gestapelt, wobei zwischen den Behältern ein Spalt von ca. 20 cm verbleibt. Die Spalten und übrigen Hohlräume der SMA-Lagerkavernen werden aus Gründen der Langzeitsicherheit mit einem zementbasiertem Verfüllmaterial verfüllt (z. B. Einkorn-Mörtel, vgl. NTB 92-11). Durch diese Einlagerung wird gewährleistet, dass die einzelnen Endlagerbehälter lokalisierbar sind und sich bei einer allfälligen Rückholung einzeln herauslösen und handhaben lassen. Zum Lösen des Verfüllmörtels stehen verschiedene mögliche Methoden zur Verfügung (vgl. Figur 130-3).
Figur 130-3: Mögliche Methoden zum Abbau des Verfüllmörtels zwischen den SMA-Endlagerbehälter aus einer verfüllten Kaverne. Quelle: NTB 98-04.
Die Behälter können nach erfolgter Entfernung des Verfüllmörtels durch Ziehen, Schieben oder Kippen aus dem Verbund gelöst werden. Die Betoncontainer werden auf die mechanischen Beanspruchungen aus Stapellasten sowie aus den Vorgängen bei der Rückholung und entsprechender Nutzungsdauer ausgelegt, sodass ihre Integrität im Zeitraum einer allfälligen Rückholung ohne grossen Aufwand sichergestellt ist (vgl. Figur 130-4).
Figur 130-4: Mögliche Methoden zur Rückholung der SMA-Endlagerbehälter aus einer verfüllten Kaverne. Quelle: NTB 98-04.
Was die Langzeitsicherheit betrifft, lässt die Gesetzgebung keinen Kompromiss zu. So besagt Art. 11 Abs. 2 KEV, dass ein geologisches Tiefenlager so auszulegen ist, dass Vorkehrungen zur Rückholung der Abfälle die passiven Sicherheitsbarrieren nach dem Verschluss des Lager nicht beeinträchtigen dürfen. Folgende Vorkehrungen zur Rückholung der Abfälle werden beispielsweise betrachtet:
Die Gebirgsstützung in den Lagerkammern kann auf längere Zeiträume ausgelegt werden (in der Grössenordnung von 100 Jahren), so dass die zunehmende Beanspruchung keine unzulässige Zunahme der Deformationen verursacht. Entsprechend müssen die Kavernen massiver gebaut werden als wenn keine Rückholung vorgesehen wäre.
Die Endlagerbehälter werden robust ausgelegt, damit ihre Integrität im Auslegungszeitraum für die Rückholung erhalten bleibt.
Die Handhabbarkeit der Behälter muss auch nach allfälligen Deformationen und Verschiebungen noch gewährleistet sein. Dazu sind Vorkehrungen an den Behältern selbst, aber auch ausreichend grosse Spalte zwischen den Behältern vorzusehen, damit Handhabungsmittel befestigt werden können.
Der Abstand zwischen den Endlagerbehältern muss so gewählt werden, dass sich der Verfüllmörtel wieder lösen lässt, ohne die Endlagerbehälter zu beschädigen.
Dem erhöhten Gebirgsdruck mit zunehmender Tiefe und der zeitabhängigen Zunahme der Beanspruchung kann durch die Dimensionierung des Kavernenausbaus begegnet werden, so dass die potenzielle Zunahme der Deformation nach Einlagerung vermieden bzw. auf ein zulässiges Mass beschränkt bleibt (NAB 16-45). Dies bedeutet entsprechend einen robusteren Ausbau des Tunneltragwerks. Die Schweiz mit ihren unzähligen Tunneln, die schon seit teilweise mehr als 150 Jahren in Betrieb sind, verfügt über entsprechende Erfahrungen.
Fazit
Überwachung und Rückholbarkeit sind gesetzlich verankerte Vorgaben zur Planung eines geologischen Tiefenlagers in der Schweiz.
Die Vorkehrungen zur allfälligen Rückholung der Abfälle dürfen die passiven Sicherheitsbarrieren nicht beeinträchtigen. Die Langzeitsicherheit hat oberste Priorität.
Die Methoden zur Rückholung sind standortunabhängig. Die Auslegung der Lagerkavernen und -stollen kann dem Standort angepasst werden.
d)
In ein geologisches Tiefenlager werden keine Endlagerbehälter eingelagert, deren Rückholbarkeit nicht nachgewiesen worden ist. Es ist nämlich eine Anforderung des Gesetzgebers, dass vor der Inbetriebnahme eines Tiefenlagers die sicherheitsrelevanten Techniken erprobt und deren Funktionstüchtigkeit nachgewiesen ist (Art. 65 KEV). Diese Sicherheitsnachweise müssen für jeden Standort in-situ erbracht werden. Dazu werden Testbereiche erstellt, die gemäss Art. 64 KEV integraler Bestandteil der geologischen Tiefenlager sind. Die Testbereiche dienen der Weiterführung von Langzeitexperimenten, die im Rahmen von erdwissenschaftlichen Untersuchungen untertag (EUU) initiiert werden. Insbesondere müssen die Sicherheitsnachweise für
das Einbringen des Verfüllmaterials,
das Entfernen des Verfüllmaterials zwecks allfälliger Rückholung von Abfallgebinden und
die Technik zur Rückholung von Abfallgebinden
in den Testbereichen experimentell erbracht werden. Während des Betriebs des Tiefenlagers ist zudem die Versiegelung von Kavernen und Stollen zu erproben und deren Funktionstüchtigkeit nachzuweisen (Art. 65 KEV).
Aus der Rückholbarkeit der Abfälle leiten sich insbesondere drei Anforderungen ab:
an die Integrität der Endlagerbehälter,
an die Lösbarkeit des Verfüllmaterials und
an die Standsicherheit des Kavernengewölbes.
Die Machbarkeit in Bezug auf die Integrität der Endlagerbehälter und die Lösbarkeit des Verfüllmaterials lässt sich standortunabhängig nachweisen. Sie hat keinen Einfluss auf den sicherheitstechnischen Vergleich. Entsprechend hat die Nagra zu diesen beiden Anforderungen bereits umfangreiche Untersuchungen und Experimente durchgeführt und werden weiterhin durchgeführt (zum Beispiel zur Rückholbarkeit im Kontext zum SMA-Lager Wellenberg (NTB 98-04) oder das laufende Projekt zur Prototypentwicklung und -herstellung von SMA-Behältern für künftige Untersuchungen (LC-84 und LC-86; NTB 16-02, Kap. 7.4.6)). Hingegen ist die Standsicherheit des Kavernengewölbes standortabhängig und kann erst vor Ort am Standort untertags demonstriert werden.
Fazit
In ein geologisches Tiefenlager werden keine Endlagerbehälter eingelagert, deren Rückholbarkeit nicht nachgewiesen worden ist.
Die Kernenergieverordnung (KEV) verlangt 1:1-Experimente, die die Machbarkeit untertag am Standort in den Testbereichen demonstrieren.
Diese Nachweise in den Testbereichen müssen nach der Baubewilligung, aber vor der nuklearen Betriebsbewilligung durchgeführt werden.
Experimente in Bezug auf die Integrität der Endlagerbehälter und die Lösbarkeit des Verfüllmaterials können standortunabhängig durchgeführt werden.
Im Hinblick auf den sicherheitstechnischen Vergleich sind 1:1-Experimente in Etappe 3 SGT aus Sicht der Nagra nicht zweckmässig.
Referenzen
KEG (2003): Kernenergiegesetz (KEG) vom 21. März 2003, Stand 1. Juli 2016. Systematische Sammlung des Bundesrechts SR 732.1, Schweiz.
KEV (2004): Kernenergieverordnung (KEV) vom 10. Dezember 2004, Stand 1. Mai 2012. Systematische Sammlung des Bundesrechts SR 732.11, Schweiz.
ENSI (2013): Präzisierungen zur sicherheitstechnischen Methodik für die Auswahl von mindestens zwei Standortgebieten je für HAA und SMA in Etappe 2 SGT. AN ENSI 33/154. ENSI, Brugg, 2013.
ENSI (2009): Richtlinie ENSI-G03 „Spezifische Auslegungsgrundsätze für geologische Tiefenlager und Anforderungen an den Sicherheitsnachweis“, April 2009. ENSI-G03/d.
Nagra (2016): Projektkonzepte für die Lagerkammern und Versiegelungsstrecken und deren Bewertung: ENSI-Nachforderung zum Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ in SGT Etappe 2. Nagra Arbeitsbericht NAB 16-045.
Nagra (2002): Projekt Opalinuston: Konzept für die Anlage und den Betrieb eines geologischen Tiefenlagers: Entsorgungsnachweis für abgebrannte Brennelemente, verglaste hochaktive sowie langlebige mittelaktive Abfälle. Nagra Technischer Bericht NTB 02-02.
Nagra (1998): Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle am Standort Wellenberg : Etappen aus dem Wege zum Verschluss; präzisierende Darstellung der Kontrollierbarkeit und Rückholbarkeit. Nagra Technischer Bericht NTB 98-04.
Jacobs F., Mayer Gerhard, Wittmann F.H. (1994): Hochpermeable, zementgebundene Verfüllmörtel für SMA Endlager. Nagra Technischer Bericht NTB 92-11.
