Technisches Forum Sicherheit

Frage 151: Räumliche und hydraulische Trennung des Pilotlagers vom Hauptlager

Gemäss Art. 66 Abs. 3 Bst. b Kernenergieverordnung (KEV) muss das Pilotlager vom Hauptlager räumlich und hydraulisch getrennt sein.

  1. Was versteht man konkret unter räumlicher Trennung?
  2. Was versteht man konkret unter hydraulischer Trennung?
  3. Welche konkreten Auswirkungen haben diese Vorgaben auf das Lagerdesign?
Thema , Bereich
Eingegangen am 25. September 2019 Fragende Instanz Fragen aus der Bevölkerung | P. Weiller
Status beantwortet
Beantwortet am 2. Oktober 2020 Beantwortet von ,

Beantwortet von ENSI

Die gesetzlichen Bestimmungen an das Pilotlager sind in Art. 66 KEV aufgeführt. Sie lauten:

  1. Im Pilotlager ist das Verhalten der Abfälle, der Verfüllung und des Wirtgesteins bis zum Ablauf der Beobachtungsphase zu überwachen. Bei der Überwachung sind im Hinblick auf den Verschluss Daten zur Erhärtung des Sicherheitsnachweises zu ermitteln.
  2. Die Ergebnisse der Überwachung müssen auf die Vorgänge im Hauptlager übertragbar sein. Sie bilden eine Grundlage für den Entscheid über den Verschluss des Tiefenlagers.
  3. Bei der Auslegung des Pilotlagers sind folgende Grundsätze zu beachten:
    1. Die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse müssen mit denjenigen des Hauptlagers vergleichbar sein.
    2. Das Pilotlager muss vom Hauptlager räumlich und hydraulisch getrennt sein.
    3. Die Bauweise des Pilotlagers und die Art der Einlagerung der Abfälle und der Verfüllung müssen dem Hauptlager entsprechen.
    4. Das Pilotlager muss eine repräsentative kleine Menge von Abfällen enthalten

In der Richtlinie ENSI-G03 (Auflage 2019, Entwurf), Kap. 6.2. werden zudem folgende Punkte präzisiert:

  1. Die Auslegung des Pilotlagers muss ein Überwachungsprogramm zur zeitlichen Entwicklung des Pilotlagers und seines geologischen Umfeldes berücksichtigen.
  2. Störfälle im Pilotlager dürfen die Betriebs- und Langzeitsicherheit des geologischen Tiefenlagers nicht beeinträchtigen und umgekehrt.
  3. Ein Pilotlager ist vor Beginn der Einlagerung der entsprechenden Abfälle in das Hauptlager zu beschicken, zu verfüllen und zu versiegeln.
  4. Eine eventuelle Umlagerung der Abfälle aus dem Pilotlager in einen neu aufgefahrenen Lagerstollen ist bei der Auslegung zu berücksichtigen.

Im Erläuterungsbericht zur Richtlinie ENSI-G03 (Auflage 2019, Entwurf), Kap. 6.2. wird weiter ausgeführt:

In Art. 66 KEV sind Aspekte zur Auslegung des Pilotlagers bereits detailliert geregelt. Für seinen Zweck muss das Pilotlager in der Bauweise und im Inventar repräsentativ für das Hauptlager sein. Im Gegensatz zum Hauptlager muss das Pilotlager mit Überwachungseinrichtungen instrumentiert und entsprechend ausgelegt werden. Dazu kann das Pilotlager aus einer oder mehreren Kavernen beziehungsweise einem oder mehreren Stollenabschnitten bestehen. Im Pilotlager und seiner Umgebung soll die Wirksamkeit des Barrierensystems überwacht werden. Dies soll Schlüsse auf das korrekte Funktionieren des Hauptlagers ermöglichen. Das Pilotlager dient dazu, physikalische und chemische Vorgänge im Hauptlager an einem realistischen Abbild zu beobachten. Es dient auch der Information der Bevölkerung über dessen Entwicklungen während der Beobachtungsphase.

Viele der im Hauptlager erwarteten Prozesse laufen viel zu langsam ab, als dass sie während der Beobachtungsphase im Pilotlager erfasst werden könnten. Es ist daher zu erwarten, dass durch die Überwachung nur ausgewählte Aspekte des Sicherheitsnachweises bestätigt werden können. Die Überwachung kann aber auch helfen, unerwartete Vorgänge zu erkennen. Um eine möglichst lange Beobachtungsdauer zu erreichen und frühzeitig auf möglicherweise unerwartete Erkenntnisse aus der Beobachtung des Pilotlagers reagieren zu können, sollen die Beschickung und die Überwachung des Pilotlagers vor dem Beginn der Einlagerung im Hauptlager erfolgen.

Die von der KEV geforderte Übertragbarkeit der Beobachtungen vom Pilotlager auf das Hauptlager ist eine wesentliche Grundlage dafür, dass ein Pilotlager tatsächlich Daten für die Erhärtung des Sicherheitsnachweises liefern kann. Durch die Trennung von Pilot- und Hauptlager sollen gegenseitige Beeinflussungen so klein gehalten werden, dass die geforderte Übertragbarkeit erreicht werden kann. Wichtig ist zudem, dass Tätigkeiten im Pilotlager das Hauptlager sicherheitstechnisch nicht beeinträchtigen und umgekehrt. Tätigkeiten sind beispielsweise Ankerbohrungen, um die Stollenwände zu sichern, oder das Einsetzen von Messinstrumenten.

Die gesetzlichen Anforderungen aus Art. 66 KEV beziehen sich auf die Dauer der Beobachtungsphase. Die Langzeitsicherheit nach dem vollständigen Verschluss aller Anlagenteile (Pilot- und Hauptlager) und die Betriebssicherheit sind in den entsprechenden Sicherheitsnachweisen aufzuzeigen. Das ENSI verweist ausserdem auf seine Antwort zur TFS-Frage 40, in der es unter dem Stichwort «Pilotlager» ausführlich die Grundlagen und den Zweck des Pilotlagers erläutert hat.

Die im Pilotlager beobachtbaren Prozesse umfassen innerhalb der Beobachtungsphase z.B. den Wärmeeintrag und die Wärmeausbreitung in den technischen Barrieren und im Wirtgestein (relevant für hochaktive Abfälle), die Entsättigung und Wiederaufsättigung, den Anstieg des Porenwasserdrucks (relevant für hochaktive Abfälle), die Entwicklung der Auflockerungszone, die Konvergenz der Lagerstollen, die Spannungsveränderungen, die Gasbildung sowie das Selbstabdichtungsverhalten der Auflockerungszone und des Bentonits. Dies ist ausführlich im Schlussbericht zum ENSI-Projekt «Auslegung und Inventar des Pilotlagers» beschrieben, der voraussichtlich Ende 2020 veröffentlicht wird. Um die gesetzliche Forderung nach der räumlichen und hydraulischen Trennung zu erfüllen und damit möglichst unbeeinflusste Messwerte im Pilotlager zu erreichen, muss das Pilotlager in genügender Entfernung zum Hauptlager positioniert werden. Es soll aber auch nicht zu weit entfernt liegen, damit die Ergebnisse des Pilotlagers auf das Hauptlager übertragbar sind. Eine Übertragbarkeit wäre z. B. eingeschränkt, wenn die Eigenschaften des Gesteins in den beiden Lagerteilen nicht die gleichen wären.

Der effektive Abstand zwischen Pilotlager und Hauptlager wird von der Nagra im Baubewilligungsgesuch festgelegt. Sie berücksichtigt dabei standortspezifische Gegebenheiten und auslegungsspezifische Bedingungen. Im Folgenden werden einige generelle Aspekte aufgeführt, welche bei der Festlegung des Abstands durch die Nagra berücksichtigt werden können.

a)

Die räumliche Trennung ist nicht ausschliesslich eine Frage der Entfernung des Pilotlagers vom Hauptlager, sondern bedingt auch eine funktionale Trennung. «Räumlich getrennt» bedeutet, dass

  • die Verfüllung und der Teilverschluss von Pilot- und Hauptlager unabhängig voneinander erfolgen können, z. B. zu verschiedenen Zeitpunkten,
  • das Pilotlager vor, während und nach der Einlagerung der Abfälle ins Hauptlager betrieben und überwacht werden kann,
  • der Zutritt zu den getrennten Bereichen ganz oder teilweise unterschiedlich gesichert werden kann,
  • Störfälle im Pilotlager (z. B. Brand) die Betriebs- und Langzeitsicherheit des geologischen Tiefenlagers nicht beeinträchtigen und umgekehrt,
  • Keine Substanzen aus dem Hauptlager in das Pilotlager gelangen können und umgekehrt (z. B. durch Diffusion).

b)

«Hydraulisch getrennt» bedeutet, dass die durch Tätigkeiten im Hauptlager und Pilotlager während des Baus, Betriebs und während der Beobachtungsphase bis zum Verschluss hervorgerufenen hydraulischen Prozesse sich nicht überlagern. Hydraulische Signale sind z.B.

  • Änderungen des Porenwasserdrucks,
  • daraus resultierende Verformungen (thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische Kopplung),
  • Wasseraustritte, z. B. durch die Schaffung neuer Wasserwegsamkeiten.

Dabei ist zu beachten, dass diese Prozesse miteinander gekoppelt sind. So kann eine Temperaturerhöhung über die damit verbundene Ausdehnung des Porenwassers zu einer Änderung des Porenwasserdrucks, zu einer Änderung der effektiven Gebirgsspannungen und schliesslich zu einer Verformung des Gebirges führen.

Figur 151-1 zeigt eine räumlich getrennte Anordnung von Haupt- und Pilotlager als schematische Aufsicht (Massstäbe und Details der Zeichnung repräsentieren nicht die aktuellen Konzepte der Nagra). Die Zugänge sind getrennt, es bestehet keine direkte Verbindung zwischen Haupt- und Pilotlager.

Figur 151-1: Schematische, räumlich getrennte Anordnung von Haupt- und Pilotlager
Figur 151-1: Schematische, räumlich getrennte Anordnung von Haupt- und Pilotlager

Ob Haupt- und Pilotlager für diese Anordnung hydraulisch getrennt sind, hängt von standortspezifischen Gegebenheiten ab, insbesondere von den hydraulischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs.

Figur 151-2 zeigt den Fall der hydraulischen Trennung. Die Druck- und Temperaturentwicklungen um das Haupt- und das Pilotlager überlappen sich nicht, die Lagerteile «sehen» sich nicht. Druck und Temperatur entwickeln sich unabhängig voneinander.

Figur 151-2: Schematische Druck- und Temperaturkurven zwischen Haupt- und Pilotlager zum Ende der Beobachtungsphase für den Fall einer hydraulischen Trennung.
Figur 151-2: Schematische Druck- und Temperaturkurven zwischen Haupt- und Pilotlager zum Ende der Beobachtungsphase für den Fall einer hydraulischen Trennung.

Figur 151-3 zeigt den Fall der hydraulischen Wechselwirkung. Die Druck- und Temperaturentwicklungen um das Haupt- und das Pilotlager überlappen sich, die Lagerteile «sehen» sich. Druck und Temperatur entwickeln sich in gegenseitiger Abhängigkeit.

Figur 151-3: Schematische Druck- und Temperaturkurven zwischen Haupt- und Pilotlager zum Ende der Beobachtungsphase für den Fall einer hydraulischen Wechselwirkung.
Figur 151-3: Schematische Druck- und Temperaturkurven zwischen Haupt- und Pilotlager zum Ende der Beobachtungsphase für den Fall einer hydraulischen Wechselwirkung.

Der Opalinuston ist ein Wirtgestein mit äusserst geringer hydraulischer Durchlässigkeit. In den Standortgebieten bleiben dadurch Grundwasserstockwerke ober- und unterhalb des Opalinustons bei einer Schichtdicke (Mächtigkeit) von ca. 100 m grossflächig über Jahrmillionen hydraulisch getrennt und zeichnen sich durch voneinander unabhängige Wasserdruckverhältnisse, wasserchemische Zusammensetzungen und Grundwasserströmungsrichtungen aus. Für die Bestimmung des effektiven Abstands können solche Überlegungen, Erkenntnisse aus Untersuchungen in Felslabors (z. B. zur Ausdehnung der Auflockerungszone um die Galerien des Felslabors Mont Terri) und Modellrechnungen der gekoppelten Prozesse herangezogen werden.

Beantwortet von Nagra

c)

Das Pilotlager wird gem. Art. 66 KEV in mit dem Hauptlager vergleichbaren geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen angeordnet. Die einzelnen Lagerstollen von Hauptlager und Pilotlager werden separat versiegelt. Gemäss aktuellem Planungsstand des HAA-Lagers sind für Hauptlager und Pilotlager separate Zugangsbauwerke vorgesehen (Figur 151-4). Zum Beispiel könnte der Zugang zum Pilotlager als Abzweiger vom Lagerfeldzugang erstellt werden. Diese Abzweigung wird in ausreichender Distanz zum Hauptlager angelegt, so dass eine separate Versiegelung beider Lagerteile ermöglicht wird. Durch diese Massnahmen wird dem Gebot der räumlichen Trennung von Pilotlager und Hauptlager Rechnung getragen (vgl. Antwort des ENSI zu Teilfrage a). Die entsprechenden Festlegungen erfolgen im Rahmen der nuklearen Baubewilligung.

Diese Massnahmen dienen zusammen mit einem geeigneten Abstand zwischen Hauptlager und Pilotlager dazu, sicherheitstechnische Beeinträchtigungen als Folge hydraulischer Wechselwirkungen auszuschliessen (hydraulische Trennung von Pilotlager und Hauptlager, vgl. Antwort des ENSI zu Teilfrage b). Mechanische und thermische Wechselwirkungen zwischen Hauptlager und Pilotlager werden ebenfalls durch geeignete Abstände zwischen den Lagerteilen soweit reduziert, dass sicherheitstechnische Beeinträchtigungen des Lagersystems ausgeschlossen werden können. Diese Abstände werden modellunterstützt und in Abhängigkeit der Standortverhältnisse nach Durchführung der erdwissenschaftlichen Untersuchungen untertag (EUU) ebenfalls im Rahmen der nuklearen Baubewilligung festgelegt.

Figur 151-4: Lagerdesign eines Kombilagers im Planungsstand Entsorgungsprogramm 2016, welches die für das HAA-Lager vorgesehene Erschliessung des Pilotlagers über separate Zugangsbauwerke zeigt (Nagra 2020).
Figur 151-4: Lagerdesign eines Kombilagers im Planungsstand Entsorgungsprogramm 2016, welches die für das HAA-Lager vorgesehene Erschliessung des Pilotlagers über separate Zugangsbauwerke zeigt (Nagra 2020).

 

Referenzen

KEV: Kernenergieverordnung vom 10. Dezember 2004 (Stand am 1. Februar 2019), Schweiz, SR 732.11.

ENSI-G03: Geologische Tiefenlager – Entwurf zur externen Anhörung, Eidgenössisches Nuklearsicherheitsinspektorat, Brugg, September 2019.

Erläuterungsbericht zur Richtlinie ENSI-G03: Geologische Tiefenlager – Entwurf zur externen Anhörung, Eidgenössisches Nuklearsicherheitsinspektorat, Brugg, September 2019.

Nagra 2020: Standortunabhängiger Vergleich eines Kombilagers mit zwei Einzellagern hinsichtlich Bau- und Betriebsabläufe sowie Umwelt. Nagra Arbeitsbericht NAB 19-15.