Frage 50: Auswirkungen der natürlich Vorkommenden Gase im Tiefenlager
Die Behandlung der Gasproblematik in den Tiefenlagern beschränkt sich nach meiner Wahrnehmung auf jene Gase, welche sich aus den gelagerten Abfällen bilden (Gasproduktion durch Korrosionsgase). Für diese Gase sieht die Nagra ein EGTS (engineered gas transport system) vor, mit welchem die Gastransportkapazität der verfüllten Untertagebauwerke erhöht wird, ohne dass dabei die Radionuklid-Rückhaltefunktion der technischen Barrieren beeinträchtigt wird. Im Gutachten von Emch+Berger zur Beurteilung der Auswirkungen der Gasentwicklung im Tiefenlager (Dezember 2009) wird die von der Nagra modellhaft kalkulierte Wirksamkeit solcher EGTS in Zweifel gezogen (z.B. Unterkapitel 6.3.5.3 auf Seite 16).
Bei allen Betrachtungen, Modellierungen und Berechnungen wird aber dem Umstand, dass im Opalinuston zusätzlich noch natürliche Gase (Methan, höhere Kohlenwasserstoffe, CO2) auftreten, nicht Rechnung getragen. Dass im Opalinuston diese Gase vorhanden sind und freigesetzt werden können geht aus NTB 86-11 hervor.
Fragen:
Wie wird mit den Gasen beim Ausbruch, beim Betrieb und bei der Verfüllung des Tiefenlagers umgegangen?
Welchen Einfluss haben die Formationsgase auf die Sicherheit des abgelagerten Abfalls?
Wie wird der Zustrom von oxidierbarem Kohlenwasserstoff die mikrobiologischen Randbedingungen im Tiefenlager beeinflussen?
Der Opalinuston in der Nordschweiz und am Mont Terri hat während seiner Versenkungs- und Temperaturgeschichte knapp das Oelfenster, sicher nicht das Gasfenster erreicht (vgl. Datensätze in Nagra 2002, Kap. 3.3.7). Aus diesem Grund ist es nie zu einer signifikanten Bildung natürlicher Kohlenwasserstoffgase gekommen.
Im Opalinuston gibt es unter natürlichen In-situ-Bedingungen keine freie Gasphase, d.h. die natürlichen Gase sind vollständig im Porenwasser gelöst. Es handelt sich um
Stickstoff (Hauptkomponente → aus Luft und org. Material),
Methan und CO2 (rund 10 mal weniger)
Höhere Kohlenwasserstoffe (Ethan>Propan>Butan) in Spuren
Bei Druckentlastung findet an der Stollenwand eine teilweise Entgasung statt. Die Gasflüsse sind aufgrund der sehr geringen Durchlässigkeit des Opalinustons sehr gering (Figur 50-1 und Figur 50-2). Messungen während der Betriebs- und Ausbruchsphasen im Felslabor Mont Terri im Opalinuston zeigen, dass die Methankonzentration in der Stollenluft immer unter der Nachweisgrenze von 0.05 Vol.-% lag (schriftl. Mitteilung Paul Bossart, swisstopo, 23.02.2011). Die untere Explosionsgrenze für Methan liegt bei 4.4 Vol.%. Bei anderen Gesteinen in der Schweiz, welche während ihrer Versenkung höhere Temperaturen erfahren haben als der Opalinuston und somit das Gasfenster erreicht haben (z. B. die Mergel der Palfris-Formation im Helvetikum), wurde jeweils unmittelbar nach einem Ausbruch eine flächenhafte Entgasung des Haufwerks und der Stollenwände festgestellt, was zu viel höheren Gaskonzentrationen in der Stollenluft führte (Schneider 1884). Zudem wurden dort auch zahlreiche Gasbläser und Perlstellen in der Sohle beobachtet. In diesen Gesteinen tritt das Gas sowohl in offenen Klüften wie auch in Fluideinschlüssen in Calcitadern auf (Gautschi et al. 1990), welche beim Sprengvortrieb zum Teil aufgebrochen werden, wodurch das Gas freigesetzt wird.
Figur 50-1: Gasmessungen im Felslabor Mont Terri (Figuren von A. Vinsot, Andra): In einer mit Argon-Gas gefüllten Bohrung (a) wurde die Zunahme der Stickstoff (N2)- und Kohlendioxid (CO2)-Konzentration im Lauf der Zeit gemessen. Daraus liess sich die Zuflussrate berechnen (b, unten).
Gasmessungen wurden auch in den Nagra-Tiefbohrungen der Nordschweiz während des Bohrens durch Entgasung der Bohrspülung durchgeführt (Figur 50-2). Die Ergebnisse sind als kontinuierliche Logs der Gas-Konzentrationen dargestellt (Bohrung Benken: Jäggi & Steffen 1999; ältere Bohrungen: Hinze et al. 1989).
Figur 50-2: Prinzip der Gasmessung in Tiefbohrungen (Bohrspülungsentgasung an der Oberfläche, nach Hinze et al. 1989)
Ein spezieller Effekt dieser Gasmessungen sind die sogenannten Tripgas-Spitzen. Es handelt sich um erhöhte Gaskonzentrationen beim Wiederanfahren der Spülungszirkulation nach einem Unterbruch (z.B. nach einer Bohrkernentnahme), entweder durch zuströmendes Gas aus einem offenen Bohrlochabschnitt, oder durch Zerbohren von angesammeltem Bohrklein an der Bohrlochsohle.
Die Messungen im Opalinuston zeigten immer Methan-Konzentrationen < 100 ppm (< 0.01 Vol. %). Es gibt keine Anzeichen auf erhöhte Werte in der sandigen Fazies des Opalinutons. In den Opalinustonstrecken wurden auch keine Tripgas-Spitzen beobachtet (ausgenommen eine kleine Spitze (< 100 ppm) in der untersten tonigen Fazies der Bohrung Riniken). In der Geothemiebohrung Schlattingen/TG (2011) wurden aus dem Opalinuston Bohrkerne entnommen, welche zurzeit entgast werden. Die Ergebnisse sind noch ausstehend.
Im Vergleich dazu wurden in einigen anderen Gesteinsformationen bedeutend höhere Werte gemessen, z.B im Muschelkalk bis 10 000 ppm Methan, im Permokarbon bis ~50 000 ppm, mit regelmässigen, gut ausgeprägte Tripgas-Spitzen. CO2-Messungen sind in Tiefbohrungen durch Bohrspülungsadditive (Aetznatron etc.) maskiert und sind deshalb nicht repräsentativ für die natürlichen Verhältnisse im Untergrund.
Schliesslich wurden Zusammenhang mit Spannungsmessungen sowohl im Opalinuston der Bohrung Benken wie auch im Felslabor Mont Terri mehrphasige Hydro-Frac-Tests mit Wiederholungszyklen durchgeführt (Nagra 2001 Bossart & Thury 2008). Bei solchen Tests liegt die Fläche der erzeugten Risse im Bereich von einem bis wenigen m2. Aus dem Testverlauf ergaben sich keine Hinweise auf das Vorhandensein einer freien Gasphase.
Mikrobielle Aktivität im Opalinuston und im Bentonit
Das Microbial Activity Experiment im Mont Terri zeigt, dass die mikrobiologische Aktivität im ungestörten Opalinuston sehr gering ist (Stroes-Gascoyne et al. 2007). Die Autoren führen dies darauf zurück, dass kein zusammenhängender Porenraum im Porengrössenbereich > 0.1 µm besteht und dass die Wasseraktivität reduziert ist. Im Gegensatz zum Felslabor Mont Terri, lassen sich in Tiefbohrungen ungestörte mikrobielle Verhältnisse wegen zahlreicher Kontaminationsquellen schlechter untersuchen.
Die heutige Porenwasserzusammensetzung im Opalinuston ist durch die mikrobielle Katalyse chemischer Reaktionen, insbesondere Redox-Reaktionen beeinflusst, welche vor allem vor der fortgeschrittenen Kompaktion (Diagenese) der Tongesteine wirksam war. Dies wird durch eine Studie an Tonsteinen des Callovo-Oxfordien belegt, welche dem Opalinuston sehr ähnlich sind (Lerouge et al. 2011). Das gleiche Team von Wissenschaftlern untersucht derzeit auch Proben aus dem Opalinuston.
Bei erhöhtem Raumangebot (Auflockerung) und bei Vorhandensein von Wasser z.B. bei Experimenten in Bohrungen oder in der Auflockerungszone (AUZ) der verfüllten Untertagebauwerke in der frühen Phase nach der Verfüllung ist die Aktivität heimischer und eingeschleppter Mikroben bedeutend, vor allem bei geeignetem Nahrungsangebot (vielfältige Erfahrungen im Mont Terri Projekt).
Internationale Erfahrungen belegen, dass die mikrobiologische Aktivität im kompaktierten Bentonit (Trockendichte >1400 kg/m3) sehr gering ist (Chapelle 1993, Pusch 1999, Pedersen 2000, Stroes-Gascoyne et al. 2002, Stroes-Gascoyne 2011).
Mikrobiell beeinflusste Prozesse und ihre Bedeutung für die Sicherheit eines geologischen Tiefenlagers
HAA-Lager: Es wird erwartet, dass im Bereich der Auflockerungszone kurz nach Verschluss des Lagers, vor Aufsättigung und Aufbau des Quelldrucks und Kompaktion des aufgelockerten Porenraums, d.h. lange vor der Freisetzung von Radionukliden eine mikrobielle Aktivität stattfindet, welche die Reduktion von Sulfat im eindringenden Porenwasser und den Abbau von organischem Material im Bereich der AUZ-Klüfte bewirkt bzw. beschleunigt.
Später unterbindet die Selbstabdichtung der AUZ und der quellende Bentonit die mikrobiologische Aktivität sulfatreduzierender Mikroben (siehe oben). Ein signifikanter ungünstiger Einfluss auf das Verhalten der technischen Barrieren und die Radionuklid-Freisetzung wird deshalb nicht erwartet.
SMA- / LMA-Lager: Trotz hohem pH-Wert (Zement) wird eine gewisse mikrobiologische Aktivität im ganzen Nahfeld eines Lagers erwartet; diese bewirkt folgendes: (i) Beitrag zum Sauerstoff-verzehr während des Betrieb bis kurz nach Verschluss des Lagers, was zu einer Herabsetzung der Radionuklid-Löslichkeit führt; (ii) Oxidation von Wasserstoffgas aus Stahlkorrosion durch Sulfat (Gas wird vollständig eliminiert), nach vollständigem Sulfatverzehr durch CO2 (Gasmenge wird reduziert); (iii) Abbau der organischen Stoffe im Abfall durch Oxidation mit Sulfat (was zu einer Erhöhung CO2-Bildungsrate führt und somit die Zementdegradation beschleunigt) und – nach vollständigem Sulfatverzehr – durch Fermentation, was zu Methan- und CO2-Bildung führt (–> Zementdegradation). Alle Prozesse, welche potenziell einen ungünstigen Einfluss auf die Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers haben können, werden in der Sicherheitsanalyse quantitativ berücksichtigt. Es werden auch umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf eine Verminderung ungünstiger Effekte durchgeführt (z.B. Reduktion der Gasbildungsraten durch Pyrolyse der Abfälle, oder durch eine Reduktion der Metalloberfläche durch Schmelzprozesse).
Im Rahmen des Sachplans Geologische Tiefenlager werden diese Prozesse, insbesondere die Rolle der Mikrobiologie in Etappe 2 und 3 vertieft untersucht.
Fazit
Dem Umstand, dass im Opalinuston auch natürliche Gase (Methan, höhere Kohlenwasserstoffe, CO2) auftreten, wird Rechnung getragen, d.h. die Gaszusammensetzung, die Konzentration der einzelnen Gase und die Gasflüsse wurden quantitativ erfasst.
Natürliche Gase (Stickstoff, Methan + höhere Kohlenwasserstoffe und CO2) sind im Opalinuston vorhanden, aber in so geringer Konzentration, dass sie nur in gelöster Form auftreten
Bei Druckentlastung kann ein Teil dieser Gase freigesetzt werden, wegen der sehr geringen hydraulischen Durchlässigkeit des Opalinustons ist der Gasfluss in die Stollen aber unbedeutend
Auch in der sandigen Fazies des Opalinustons wurden in den Tiefbohrungen keine erhöhten Methankonzentrationen gemessen
Die Methankonzentration in der Stollenluft des Felslabors Mont Terri lag sowohl während der Betriebs- wie auch der Ausbruchsphasen stets unterhalb der Nachweisgrenze des Kontrollgeräts (d.h. < 0.05 Vol.-%)
Die mikrobielle Aktivität wird – wo potenziell von Bedeutung – in der Sicherheitsanalyse quantitativ berücksichtigt (CH4 –Bildung, Einfluss von CO2 auf Zementdegradation), der Einfluss natürlicher Gase ist von untergeordneter Bedeutung
Die Aspekte der Gasbildung (natürliche Gase und Korrosions- und Degradationsgase) und des Gastransports in natürlichen und technischen Barrieren werden sowohl national wie auch im Rahmen von internationalen Gemeinschaftsprojekten (zB. FORGE http://www.bgs.ac.uk/forge/) weiterhin in grossem Umfang untersucht. Die Ergebnisse werden laufend publiziert.
Referenzen
Bossart, P. & Thury, M. (Eds.) (2008): Mont Terri Rock Laboratory. Project, Programme 1996 to 2007 and Results. Swisstopo Rep. 2008-01. Bundesamt für Landestopografie, swisstopo, Bern.
Chapelle, F.H. (1993): Ground-water Microbiology and Geochemistry. (New York, NY: John Wiley and Sons).
Gautschi A., Faber E., Meyer J., Mullis J., Schenker F., Ballentine C. (1990): Hydrocarbon and noble gases in fluid inclusions of alpine calcite veins – Implications for hydrocarbon exploration, Bull. Ver. Schweiz. Petroleum-Geol. u.-Ing.
Hinze, W., Jäggi, K. & Schenker, F. (1989): Sondierbohrungen Böttstein, Weiach, Riniken, Schafisheim, Kaisten, Leuggern: Gasmessungen. Nagra Tech. Ber. NTB 86-11.
Jäggi, K. & Steffen, P. (1999): Sondierbohrung Benken: Geologisches Sampling, Bohrgasmessungen, Sampler Logs 1:200. Unpubl. Nagra Int. Ber.
Lerouge, C., Grangeon, S., Gaucher, E. C., Tournassat, C., Agrinier, P., Guerrot, C., Widory, D., Fléhoc, C., Wille, G., Ramboz, C., Vinsot, A. and Buschaert, S. (2011): Mineralogical and isotopic record of biotic and abiotic diagenesis of the Callovian-Oxfordian clayey formation of Bure (France). Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 75, iss. 10, 2633-2663.
Pedersen, K. (2000): Microbial processes in radioactive waste disposal. SKB Technical Report, TR-00-04. Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co., Stockholm.
Pusch, R. (1999): Mobility and survival of sulphate-reducing bacteria in compacted and fully water saturated bentonite – microstructural aspects. Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company Report, SKB TR 99-30.
Stroes-Gascoyne, S., Hamon, C.J., Vilks, P. and Gierszewski, P. (2002): Microbial, redox and organic characteristics of compacted clay-based buffer after 6.5 years of burial at AECL’s Underground Research Laboratory. Applied Geochemistry 17, 1287-1303.
Stroes-Gascoyne, S., Schippers, A., Schwyn, B., Poulain, S., Sergeant, C., Le Marrec, C., Simonoff, M., Altmann, S., Nagaoka, T., Mauclaire, L., McKenzie, J., Daumas, S., Vinsot, A., Beauclaire, C. and Matray, J.M. (2007): Microbial Community Analysis of Opalinus Clay Drill Core Samples from the Mont Terri Underground Research Laboratory, Switzerland. Geomicrobiology Journal 24, 1-17.
Stroes-Gascoyne, S. (2011): Microbiological characteristics of compacted bentonite at a dry density of 1450 kg/m3 – A literature review. Nagra Arbeitsbericht 11-05.
Beantwortet von ENSI
Kommentar des ENSI:
Fragen zum Gastransport in einem dichten Wirtgestein und das EGTS werden im technischen Bericht der Nagra NTB 08-07 diskutiert. Das ENSI hat ausgewählte Ergebnisse zum Gasdruckaufbau und Gastransport durch das Wirtgestein der Nagra mit eigenen Berechnungen überprüft und nachvollzogen. Das ENSI hat zum in dieser Frage angesprochenen Punkt in seinem Gutachten zum Vorschlag geologischer Standortgebiete (NTB 08-03) in ENSI 33/070 Stellung genommen. Die Funktionsweise des EGTS wird in NTB 08-07 anhand von verschiedenen Modellrechnungen dargelegt. Der Bericht NTB 08-07 ist vom Ansatz her eine Machbarkeitsstudie, als solche entspricht sie dem Stand der Technik. Das ENSI bewertet die Darlegungen der Nagra zu den gasinduzierten Auswirkungen auf die Langzeitsicherheit als nachvollziehbar und stufengerecht.
Beim EGTS sind Sand/Bentonitgemische als Verfüllmaterialien für die Verschlüsse der Lagerkammern sowie der Zugangs- und Betriebstunnel vorgesehen. Der Erhalt der Gastransportkapazität des EGTS über lange Zeiträume steht dabei für das ENSI im Zentrum. Das ENSI hat deshalb der Nagra bei der Beurteilung der Standortvorschläge diverse Fragen zum Kenntnisstand zu Sand/Bentonitgemischen und zur Behandlung von Unsicherheiten gestellt (siehe Fragen 27, 30, 31, 32 und 34. Die Antworten sind im Arbeitsbericht NAB 09-29 der Nagra dokumentiert). Das Hauptargument der Nagra, dass durch die Verwendung geeigneter Verfüllmaterialien ein zusätzliches Volumen zur Aufnahme von Korrosionsgasen und so zusätzliche Flächen für die Gasfreisetzung ins Wirtgestein besteht, ist für das ENSI nachvollziehbar.
Die Nagra argumentiert hinsichtlich der Reduktion des Porenraums und damit der Gastransportkapazität z.B. infolge geochemischer Reaktionen im Übergangsbereich zwischen verfüllter Lagerkaverne und Kavernenversiegelung sowie der Übergang in das Wirtgestein, dass dieser Bereich zum Zeitpunkt hoher Gasproduktionsraten (< 10 000 Jahre) noch nicht völlig aufgesättigt ist. Insbesondere im ungesättigten Firstbereich der Einlagerungsstollen sind daher keine Mineralausfällungen zu erwarten, die zu einer substantiellen Verringerung der Gasdurchlässigkeit der Versiegelung führen könnten. Deshalb nimmt die Nagra an, dass die Wahrscheinlichkeit eines schlechten Funktionierens des EGTS aufgrund von geochemischer Wechselwirkungen vernachlässigbar ist. Dass diese Annahme auch für Gesteine mit höherer hydraulischer Durchlässigkeit zutrifft, ist stufengerecht in den Sicherheitsanalysen der weiteren Etappen des Sachplanverfahrens zu demonstrieren.
Um das Funktionieren des EGTS zu belegen, erachtet das ENSI die Untersuchungen der Nagra als notwendig, das Verständnis der hydrochemischen Prozesse im gesättigten wie ungesättigten Nahfeld der Einlagerungskavernen durch zusätzliche Modellierungen, Labor- und in-situ-Experimente zu verbessern. In den weiteren Schritten bei der Realisierung eines SMA- und LMA-Lagers ist der Kenntnisstand darzulegen und das Funktionieren eines EGTS stufengerecht und wirtgesteinsspezifisch zu belegen.
