Bentonit und Bentonitgranulat

Kompaktierter Bentonit ist dank seinen in vieler Hinsicht günstigen Materialeigenschaften weltweit in vielen Lagerprojekten für verglaste hochaktive Abfälle oder abgebrannte Brennelemente vorgesehen. Er ist hier das Material, das die Lagerbehälter abdichtend umschliesst. In jüngster Zeit wird in einigen Ländern über das Einbringen des Bentonits in Form von Bentonitgranulat statt wie in früheren Projekten in grösseren vorgeformten Blöcken nachgedacht. Der Vorteil ist ein einfacheres Verfahren, das leichter fernbedient gestaltet werden kann. Die Nachteile sind der momentan weit kleinere experimentelle Datensatz über die Eigenschaften von Bentonitgranulaten und die möglicherweise geringere Kontrolle über die nach dem Einbringen unter in situ Bedingungen gegebenen Eigenschaften der Granulatverfüllung.

Allgemein hat ein trockenes Granulat eine kleinere Dichte und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die einzelnen Granulatkörner. Wie sich aber die Wärmeleitfähigkeit eines Bentonitgranulats zu derjenigen eines homogenen Bentonits verhält, dessen Dichte der mittlere Dichte des Granulats entspricht (dh. einem Bentonit, der weniger stark kompaktiert ist als die Granulatkörner), ist nicht von vorneherein klar. Ein Granulat braucht nicht eine einheitliche Korngrösse zu haben. Die Dichte des Granulats, und damit viele seiner Eigenschaften, ist nicht nur von der Dichte des Kornmaterials abhängig, sondern auch von der Korngrössenverteilung und der Verdichtung der Mischung. Die Wärmeleitfähigkeit hängt ausserdem vom Wassergehalt des Bentonits ab. Die Eigenschaften des vorgesehenen Granulats sollten deshalb direkt an diesem Granulat experimentell untersucht werden. Bei Zutritt von Wasser zum Bentonit erhöht sich seine Wärmeleitfähigkeit und die Granulatstruktur wird durch Anschwellen der Körner aufgehoben.

Die im Sicherheitsbericht zum Entsorgungsnachweis angenommene Dichte und Wassergehalt der Bentonitverfüllung betragen unmittelbar nach dem Einbringen etwa 1500 kg/m³ bzw. 2% (Gew.). Das Granulat wurde hier als eine 4:1 Mischung von Bentonitpellets und Bentonitpulver beschrieben. Die Nagra rechnet mit einer anfänglichen Wärmeleitfähigkeit von 0,4 W/m°K.

Experimente mit Bentonitgranulaten

Die experimentell untersuchten Bentonitgranulate haben unterschiedliche Zusammensetzungen. Die Nagra führt seit 2000 in Zusammenarbeit mit einigen ausländischen Entsorgungsorganisationen im Felslabor Mont Terri ein Verfüllexperiment mit Bentonitgranulat durch, dessen technischer Schlussbericht im vergangenen Februar erstellt wurde. Die Korngrössenverteilung des Granulats war hier zweiteilig: Eine grobe Fraktion mit Korndurchmessern zwischen 7 und 15 mm und eine feine Fraktion mit Korndurchmessern 0,4 bis 2 mm. Das Mischungsverhältnis war gemäss den genommenen Proben nicht homogen, dürfte aber im Mittel etwa 3:2 (grob:fein) betragen haben. Der Wassergehalt war 4,2% (Gew.). Die bei Versuchen erreichbare Dichte einer solchen Mischung lag bei 1400 kg/m³. Die Wärmeleitfähigkeit wurde nicht untersucht.

Im Felslabor Hades in Mol (Belgien) haben die Entsorgungsorganisationen von Frankreich, Belgien und Spanien in den Jahren 1993-1994 ein Verfüllexperiment mit einer 1:1 Mischung von relativ grossen Bentonitpellets (3 cm) mit Bentonitpulver bei 3% Wassergehalt durchgeführt. Mit mechanischer Verdichtung wurde eine Dichte von 1700 kg/m³ erreicht. Die Wärmeleitfähigkeit wurde in situ gemessen. Die kleinsten gefundenen Werte betrugen 0,4 W/m°K.

Es ist zu erwarten, dass die Eigenschaften von Granulaten von ihrer genauen Zusammensetzung und von ihrer Handhabung abhängig sind. Die HSK wird deshalb bei einem späteren Tiefenlagerprojekt die am vorgesehenen Material nach Anwendung der vorgesehenen Technik der Einbringung gemessenen Materialdaten anfordern.

Versprödung und Risse im Opalinuston

Bei der Beurteilung der Gefahr von temperaturbedingten Schäden im Opalinuston ist zu beachten, dass die Temperaturverteilung im Opalinuston nur unwesentlich von den thermischen Eigenschaften des Bentonits abhängt. Es sind hauptsächlich die thermischen Materialkennwerte des Opalinustons selber, die seine Temperatur bestimmen. Das ist gut ersichtlich aus den von der Nagra durchgeführten Berechnungen der Temperaturverteilung in und um das Tiefenlager bei zwei unterschiedlichen Annahmen über die Wärmeleitfähigkeit des Bentonits (Wärmeleitfähigkeit 0,4 W/m°K bzw. 1,35 W/m°K). Die Temperatur im Opalinuston erreicht in beiden Fällen ihren höchsten Wert von ca. 97 °C im Bereich der Stollenwand gegenüber von eingelagerten MOXBrennelement- Behältern (siehe Nagra NTB 01- 04, z. B. Figuren C-9 und C-10). Die HSK sieht deshalb bezüglich temperaturbedingten Schäden im Opalinuston keine zusätzliche Ungewissheit aufgrund der Variabilität der Granulateigenschaften. Der Opalinuston hat bereits früher erhöhte Temperatur gehabt. In Laufe seiner Versenkungsgeschichte war er während mehrerer Jahrmillionen der Temperatur von 80-90 °C ausgesetzt. Es ist daher kaum mit weiterer thermischer Konsolidierung oder Versprödung aufgrund der erneuten, vergleichsweise kurz andauernden Erwärmung durch das Lager zu rechnen. In einem Expertenauftrag der HSK untersuchte die Firma Emch+Berger AG die mechanischen Eigenschaften des Opalinustons im Hinblick auf die thermische Beeinflussung durch das Lager. Der Experte kommt zum Schluss, dass mit keiner thermisch verursachten Rissentstehung im Opalinuston zu rechnen ist (Expertenbericht Emch+Berger, HSK 35/97).

Anders als mit dem Opalinuston verhält es sich mit dem Bentonit. Der innerste Teil des Bentonitmantels des Behälters erreicht eine höhere Temperatur, wenn die Wärmeleitung schlechter ist. Das Abnehmen der Temperatur mit zunehmender Distanz vom Behälter ist aber auch entsprechend steiler. Die Sicherheitsanalyse der Nagra setzt voraus, dass auf etwa der Hälfte des Bentonitdurchmessers die Temperaturen unterhalb 125 °C liegen. Der Ort dieser Temperaturgrenze kann sich bei veränderter Wärmeleitfähigkeit leicht verschieben. Falls es aufgrund einer wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeit des vorgesehenen Granulats erforderlich würde, könnte z. B. der Tunnelradius und damit die Dicke des Bentonitmantels erhöht werden.