Technisches Forum Sicherheit

Frage 82: Mächtigkeit Opalinuston

Die laufenden Untersuchungen im Südranden betreffen unter anderem die Mächtigkeit des Opalinuston. Die Anforderungen an die Mächtigkeit des Wirtsgesteins sind an verschiedenen Stellen bereits mehr oder weniger scharf definiert worden. In NTB 05-02 (Darstellung und Beurteilung der aus sicherheitstechnisch-geologischer Sicht möglichen Wirtgesteine und Gebiete) wird eine „typische Mächtigkeit des Wirtgesteins bzw. des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs von rund 100 m“ definiert. In NTB 08-05 (Begründung der Abfallzuteilung, der Barrierensysteme und der Anforderungen an die Geologie – Bericht zur Sicherheit und technischen Machbarkeit) wird ebenfalls eine minimale Mächtigkeit des Wirtgesteins von 100 m gefordert. Dieses Kriterium wurde auch für die Ausscheidung und Abgrenzung der Standortgebiete verwendet.

Welche Mächtigkeit des Opalinustons ist für die Langzeitsicherheit zwingend erforderlich? Sind die bisher genannten 100 m abhängig von Gesteinseigenschaften, die am Lagerort noch zu erkunden sind? Sind 100 m das absolute Minimum oder wird das im konkreten Fall nochmal überprüft und möglicherweise reduziert? Diese Fragen sind jeweils für SMA und HAA Standorte zu beantworten.

Thema Bereich
Eingegangen am 13. September 2012 Fragende Instanz Fragen aus der Bevölkerung | O. Schwank, FG Si SR
Status beantwortet
Beantwortet am 19. Juni 2013 Beantwortet von ,

Beantwortet von Nagra

Antwort zu Teilfrage 1

(„Welche Mächtigkeit des Opalinustons bzw. des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs ist für die Langzeitsicherheit zwingend erforderlich?“)

Einleitend ist zu ergänzen, dass es bei der Mächtigkeit nicht nur um die Mächtigkeit der Wirtgesteine, sondern um die Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs geht. Der einschlusswirksame Gebirgsbereich umfasst das Wirtgestein und die im Liegenden bzw. im Hangenden vorhandenen weiteren Gesteinsschichten (Rahmengesteine), die zur Barrierenwirkung beitragen können. Für die Abgrenzung der geologischen Standortgebiete in SGT Etappe 1 und für die jetzt laufenden Arbeiten in SGT Etappe 2 werden die Anforderungen an den einschlusswirksamen Gebirgsbereich verwendet. Auch bei dem in der Frage erwähnten NTB 05-02 wurde der einschlusswirksame Gebirgsbereich verwendet.

Zur Ableitung der Anforderungen an die Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs steht eine grössere Zahl von (teilweise vereinfachten) Dosisberechnungen zur Verfügung. Für die hier gestellte Frage sind die Resultate von Parametervariationen für die Mächtigkeit für eine homogen poröse Gesteinsschicht mit einer Durchlässigkeit von 10-13 m/s und einem Gradienten von 1 m/m in Fig. A5.3-1 und in Fig. A5.3-5 in NTB 08-05 direkt relevant. Diese Rechnungen zeigen, dass die erforderliche Transportpfadlänge1 in einer solchen Gesteinsschicht mindestens ca. 10 m sein muss. Im Sinne der Optimierung wird eine zusätzliche Sicherheitsreserve von 10 m angenommen, sodass die minimal erforderliche Transportpfadlänge für die Abgrenzung von Standortgebieten mindestens ca. 20 m beträgt. Unter Berücksichtigung, dass die Lagerebene etwa in der Mitte des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs angeordnet wird, ergibt sich für das HAA-Lager bei einer vertikalen Ausdehnung der Lagerstollen (inkl. Auflockerungszone (AUZ)) von ca. 5 m eine erforderliche Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs von mindestens ca. 45 m, für das SMA-Lager mit einer vertikalen Ausdehnung der Lagerkammern (inkl. AUZ) von ca. 20 m eine erforderliche Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs von mindestens ca. 60 m. In SGT Etappe 1 wurde für das SMA- und das HAA-Lager für die Abgrenzung der Standortgebiete als Anforderung an die nutzbare2 Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs von mindestens 100 m verwendet; für das HAA-Lager wird zusätzlich verlangt, dass der Abstand von der Lagerebene von Top bzw. Basis des Opalinustons mindestens 40 m beträgt (d.h. die Mächtigkeit des Opalinustons alleine ohne Rahmengesteine muss mindestens 80 m betragen). Die Anforderung von mindestens 100 m für den einschlusswirksamen Gebirgsbereich ist als Optimierung zu verstehen und berücksichtigt, dass Gebiete mit solcher Mächtigkeit auch effektiv in genügendem Umfang vorhanden sind. Zur Gewährleistung der Langzeitsicherheit würde auch eine Mächtigkeit von deutlich weniger als 100 m genügen.

Antwort zu Teilfrage 2

(„Sind die bisher genannten 100 m für den einschlusswirksamen Gebirgsbereich abhängig von den Gebirgseigenschaften, die am Lagerort noch zu erkunden sind?“)

Die Gesteinseigenschaften haben einen direkten Einfluss auf die erforderliche Transportpfadlänge bzw. Mächtigkeit. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die unter der Antwort zu Teilfrage 1 aufgeführten Berechnungen von Durchlässigkeiten ausgehen, die ungünstiger sind als dies die effektiven Messungen für Opalinuston zeigen (in Rechnungen verwendet: 10-13 m/s; aus Messungen für Opalinuston abgeleitet: 2 × 10-14 m/s (für ZNO)). Der Einfluss der Gesteinseigenschaften (Durchlässigkeit) wurde auch in NTB 08-05 untersucht, vgl. Fig. A5.2-1. Weiter wurde der Einfluss der Wasserführung auch in NTB 10-01 untersucht, wo für das Standortgebiet Südranden für das SMA-Lager gegenüber dem Referenzfall (mit sehr vorsichtig gewählter Durchlässigkeit von 10-13 m/s wegen beschränkter Überdeckung) Rechenfälle durchgeführt wurden mit einem um einen Faktor 3 bzw. 10 erhöhten Wasserfluss (vgl. Fig. A7-1 in NTB 10-01) und für das Standortgebiet Zürich Nordost für das HAA-Lager mit einem um einen Faktor 5 bzw. 50 erhöhten Wasserfluss (vgl. Fig. A7-7 in NTB 10-01). Basierend auf diesen Rechnungen wurden für interne Zwecke weitere Varianten gerechnet, wo bei einem um den Faktor 5 bzw. 50 erhöhten Wasserfluss auch die Länge des Transportpfads variiert wurde (für SMA-Lager, vgl. Figur 82-1; für HAA-Lager, vgl. Figur 82-2). Die Resultate aller Rechnungen zeigen, dass die resultierenden Dosen deutlich unterhalb dem Schutzziel von 0.1 mSv/a liegen.

Figur 82-1: SMA-Lager: Einfluss der Transportpfadlänge und des Wasserflusses auf die berechneten Dosen. Oberste Figur: Basisfall-Wasserfluss mit vorsichtigen/ungünstigen Annahmen bzgl. des Einflusses der beschränkten Überlagerung (Darcy-Geschwindigkeit 10-13 m/s); mittlere Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 5 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 5 x 10-13 m/s); unterste Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 50 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 5 x 10-12 m/s). "ORG" in der Legende für die grüne Kurve ("50 m OPA + ORG" bedeutet, dass hier zusätzlich zur Rückhaltung im Opalinuston auch die Rückhaltung in den oberen Rahmengesteinen berücksichtigt wurde.
Figur 82-1: SMA-Lager: Einfluss der Transportpfadlänge und des Wasserflusses auf die berechneten Dosen. Oberste Figur: Basisfall-Wasserfluss mit vorsichtigen/ungünstigen Annahmen bzgl. des Einflusses der beschränkten Überlagerung (Darcy-Geschwindigkeit 10-13 m/s); mittlere Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 5 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 5 x 10-13 m/s); unterste Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 50 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 5 x 10-12 m/s). „ORG“ in der Legende für die grüne Kurve („50 m OPA + ORG“ bedeutet, dass hier zusätzlich zur Rückhaltung im Opalinuston auch die Rückhaltung in den oberen Rahmengesteinen berücksichtigt wurde.
Figur 82-2: HAA-Lager: Einfluss der Transportpfadlänge und des Wasserflusses auf die berechneten Dosen. Oberste Figur: Basisfall-Wasserfluss (Darcy-Geschwindigkeit 2x10-14 m/s); mittlere Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 5 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 10-13 m/s); unterste Figur: Wasser-fluss gegenüber Basisfall um Faktor 50 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 10-12 m/s). "ORG" in der Le-gende für die grüne Kurve ("50 m OPA + ORG") bedeutet, dass hier zusätzlich zur Rückhaltung im Opalinuston auch die Rückhaltung in den oberen Rahmengesteinen berücksichtigt wurde.
Figur 82-2: HAA-Lager: Einfluss der Transportpfadlänge und des Wasserflusses auf die berechneten Dosen. Oberste Figur: Basisfall-Wasserfluss (Darcy-Geschwindigkeit 2 x 10-14 m/s); mittlere Figur: Wasserfluss gegenüber Basisfall um Faktor 5 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 10-13 m/s); unterste Figur: Wasser-fluss gegenüber Basisfall um Faktor 50 erhöht (Darcy-Geschwindigkeit 10-12 m/s). „ORG“ in der Legende für die grüne Kurve („50 m OPA + ORG“) bedeutet, dass hier zusätzlich zur Rückhaltung im Opalinuston auch die Rückhaltung in den oberen Rahmengesteinen berücksichtigt wurde.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Gesteinseigenschaften einen Einfluss auf die erforderliche Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs haben. Die für die Abgrenzung der geologischen Standortgebiete verwendete Mächtigkeit von mindestens 100 m ist aber auch bei ungünstigen Gesteinseigenschaften genügend gross und führt zu Dosen weit unterhalb dem Schutzziel.

Antwort zu Teilfrage 3

(„Sind 100 m das absolute Minimum oder wird das im konkreten Fall nochmals überprüft und möglicherweise reduziert?“)

Basierend auf den Antworten zu Teilfrage 1 und Teilfrage 2 kann festgehalten werden, dass eine Mächtigkeit von 100 m des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs zu einer Barrierenwirkung mit grossen Sicherheitsreserven führt. Im Sinne der Optimierung wurde für die Abgrenzung der geologischen Standortgebiete in SGT Etappe 1 eine Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs von mindestens 100 m vorgegeben. Die Mächtigkeit wird auch in die Bewertung der Standortgebiete in SGT-Etappe 2 einbezogen. Die Unterlagen zur effektive Mächtigkeit werden (für SGT-Etappe 2 und später in SGT Etappe 3) erweitert. Die effektiv bestimmten Mächtigkeiten werden in den provisorischen Sicherheitsanalysen für SGT Etappe 2 verwendet und fliessen so in die Bewertung und de Vergleich der geologischen Standortgebiete ein.

Zusammenfassend ist also festzuhalten, dass die Mächtigkeit von 100 m keine strenge Limite ist, und dass auch eine kleinere Mächtigkeit eine gute Sicherheit ergibt, wie dies die vorhandenen Untersuchungen klar aufzeigen.

Erläuterungen zum Begriff „Dosis“3 (Figur 82-1 & Figur 82-2)

Aus der berechneten Freisetzung von Radionukliden aus dem geologischen Tiefenlager wird die Ausbreitung der Radionuklide in der Biosphäre, die Aufnahme von Radionukliden über das Trinkwasser und die Nahrungsmittel sowie die radiologischen Auswirkungen der Direktstrahlung berechnet. Die berechnete Dosis ist die Individualdosis einer durchschnittlich exponierten Person der am meisten betroffenen Bevölkerungsgruppe (der sogenannten „kritischen Gruppe“). Dabei handelt es sich um erwachsene Personen, die sich ausschliesslich von Produkten ernähren, die im betrachteten System („Biosphäre“) erzeugt werden (selbstversorgende Landwirtschaft) und dieses niemals verlassen. Die horizontale schwarze Linie bei 10-1 mSv a-1 entspricht dem Schutzkriterium 1 in der Richtlinie  ENSI-G03. Das horizontale gelbe Band „natürliche Strahlenexposition in der Schweiz“ entspricht der Bandbreite der Dosis, die eine Person heute in der Schweiz pro Jahr aufgrund der natürlichen Radioaktivität erhält (Hauptbeitrag: Radon und dessen Tochternuklide; die Freisetzung von natürlichem Radon aus dem Boden variiert stark je nach Region).

1 Die „Transportpfadlänge“ im Zusammenhang mit der Freisetzung von Radionukliden aus einem geologischen Tiefenlager entspricht der Länge des Radionuklid-Freisetzungspfades im betrachteten Gestein bzw. in der betrachteten Gesteins-Abfolge (vom Rand der Lagerkammer bis zum „Freisetzungspunkt“), in dem eine (gut begründete) Rückhaltung und ein entsprechender Zerfall von Radionukliden angenommen werden kann. Der „Freisetzungspunkt“ ist ein hypothetischer Punkt (z.B. direkt oberhalb dem Wirtgestein), ab dem keine zusätzliche Rückhaltung & Zerfall mehr angenommen wird auf dem weiteren Freisetzungspfad vom Freisetzungspunkt bis zur Biosphäre. In Figur bedeutet demgemäss z.B. „5 m OPA“, dass die betrachtete Transportpfadlänge 5 m beträgt (mit einem Freisetzungspunkt 5 m oberhalb des Rands der Lagerkammer).

2 „nutzbar“ bedeutet, dass die Überlagerung so gross ist, dass die Dekompaktion keine Erhöhung der Durchlässigkeit bewirken kann. In SGT Etappe 1 wurde dazu für die oberen Rahmengesteine des Opalinustons von einer Überdeckung von mindestens 300 m ausgegangen, für Opalinuston von 200 m.

3 siehe auch ENSI-Glossar (https://www.ensi.ch/fr/wp-content/uploads/sites/4/2012/08/ensi-glossar-2012-08-27.pdf)

Beantwortet von ENSI

100 m Opalinuston werden von ENSI als ausreichend angesehen, sowohl für ein Lager für hochradioaktive, als auch ein Lager für schwachradioaktive Abfälle. Grundsätzlich gilt: Je mächtiger der Opalinuston, desto besser. Aber auch andere Eigenschaften des Tongesteins sind für die Langzeitsicherheit des geologischen Tiefenlagers wichtig, darunter der Tongehalt und die Durchlässigkeit bezüglich Wasser und Gas. Die 100 m stellen nicht das absolute Minimum dar. In allen Standortgebieten finden sich oberhalb und unterhalb des Opalinustons ausserdem weitere tonreiche Rahmengesteine, deren Eigenschaften ebenfalls langfristig zur Sicherheit beitragen.

Die Wirkung des Opalinuston als Wirtgestein hängt neben der Mächtigkeit der Opalinustonschicht von diversen anderen Faktoren ab. Darunter fallen seine geringe hydraulische Durchlässigkeit (→ fehlende Wasserbewegungen), seinem hohen Tongehalt (→ Rückhaltung radioaktiver Stoffe) sowie dem sich daraus auch ergebenden hohen Selbstabdichtungsvermögen (→ Abdichtung von Rissen und Störungen). Weiter ist darauf hinzuweisen, dass der Opalinuston in allen Standortgebieten gegen oben und unten von tonreichen Rahmengesteinen umgeben ist. Auch diese Gesteine tragen zur Sicherheit an einem Standort bei und deren Mächtigkeit ist also bei einer umfassenden Sicherheitsanalyse auch zu berücksichtigen.

Aufgrund seiner Ablagerungsgeschichte in einem Meer bildet der Opalinuston in der Nordschweiz vom Jura (Felslabor Mont Terri) bis zum Bodensee eine Schicht mit sehr konstanten Eigenschaften und geringen Abweichungen in den Eigenschaften. Er ist immer als tonreiches Gestein ausgebildet, in dem sich keine grösseren Bänke anderer Gesteine finden. Das gleiche gilt auch für seine Mächtigkeit, die in einem relativ beschränkten Rahmen von 80 bis 130 m schwankt.

Zusätzlich zum Opalinuston kommen jedoch in allen Standortgebieten der Nordschweiz oberhalb und unterhalb weitere tonreiche Gesteine vor, die zusammen mit dem Opalinuston als „einschlusswirksamer Gebirgsbereich“ bezeichnet werden, da auch diese Schichten zur Rückhaltung der radioaktiven Stoffe beitragen. Je nach Standortgebiet variiert die Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs zwischen 190 und 300 m.

Die Frage, wie mächtig der Opalinuston tatsächlich sein muss, ist seitens ENSI bereits im Rahmen der Beurteilung des Entsorgungsnachweises der Nagra (Projekt Opalinus) angegangen worden. Damals hatte die Nagra vereinfachend ihre Sicherheitsanalysen nur auf das Wirtgestein beschränkt und den Effekt der tonreichen Rahmengesteine nicht berücksichtigt. Das ENSI hat in eigenen Analysen die Frage gestellt, wie mächtig bei diesen Rahmenbedingungen der Opalinuston sein muss, damit die seitens der Aufsicht geforderten Schutzziele für Mensch und Umwelt noch erfüllt werden. Bei einer Mächtigkeit von 100 m Opalinuston und einer Platzierung des geologischen Tiefenlagers in die Mitte der Tonschicht würde sich eine Migrationslänge durch den Opalinuston von etwa 40 m ergeben. Die Analysen des ENSI hatten damals gezeigt, dass das Schutzziel auch dann noch erreicht würde, wenn die Migrationslänge auf 20 m verkürzt wurde (entsprechend einer Gesamtmächtigkeit des Opalinustons auf ca. 50 m).

In Etappe 1 des Sachplanverfahrens hatte die Nagra als Minimalanforderung an den einschlusswirksamen Gebirgsbereich eine Mächtigkeit von 100 m angesetzt. Mit Blick auf die oben genannten Analyseresultate betreffend Opalinuston und auf die ausserdem vorhandenen und ebenfalls zur Langzeitsicherheit beitragenden Rahmengesteine sieht das ENSI daher diese Minimalanforderung als richtig an. Es betont, dass aber ein nur 90 m mächtiger Opalinuston deswegen nicht alsungeeignet anzusehen ist. Die Aussagen sind sowohl für ein HAA-Lager als auch SMA-Lager zutreffend. Das ENSI geht im Sinne einer angestrebten Einengung in Etappe 2 des Sachplans davon aus, dass die von der Nagra formulierte Mindestanforderung an die Dicke des Opalinustons von 100 m auch in Etappe 2 angewendet wird. Das ENSI macht jedoch bezüglich der von ihm formulierten sicherheitstechnischen Kriterien auch in Etappe 2 keine quantitativen Vorgaben. Diese legt die Nagra fest und das ENSI prüft die Vorgaben.

Der Vollständigkeit halber verweist das ENSI auf die Frage und Antwort 59 des Technischen Forums zum Entsorgungsnachweis.