Frage 146: Temperatureinflüsse in der Umgebung eines HAA-Lagers
Hochradioaktiver Abfall erzeugt Restwärme. Das bedeutet, dass die Lagerbehälter eine Temperatur von bis zu 140 °C aufweisen. Speziell gefährlich wäre der Kontakt mit einer Solemischung, denn diese würde zusammen mit der erhöhten Umgebungstemperatur die Korrosion der Lagerbehälter massiv beschleunigen (gemäss Studien aus Deutschland mit einem Faktor 1’000). Sobald Wasser ins Spiel kommt werden neben den chemischen Prozessen auch mikrobiologische Abbaureaktionen ablaufen – ob aerob oder anaerob – Mikroorganismen zersetzen fast alles, gibt man ihnen genügend Zeit. Welchen Einfluss werden die ca. 10’000 m3 HAA Material mit dieser Temperatur auf die Umgebung haben? Sind dafür Kühlungen vorgesehen?
Die hochradioaktiven Abfälle (HAA) in der Schweiz setzen sich zusammen aus abgebrannten Brennelementen und verglasten Spaltproduktlösungen aus der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen. Die HAA werden in speziellen Endlagerbehältern aus Stahl in das HAA-Lager eingebracht. Gemäss dem Referenzkonzept der Nagra hat jeder einzelne Endlagerbehälter eine maximale Wärmeleistung von 1500 Watt. Dadurch erwärmen sich die Endlagerbehälter im Bentonitumfeld im geologischen Tiefenlager an der Behälteraussenseite auf ungefähr 130 °C (standortabhängig). Die Temperatur nimmt in der Bentonitverfüllung ab, weshalb im Wirtgestein Opalinuston die Temperatur von ungefähr 80 °C nicht übersteigt. Die Temperatureffekte um das HAA-Lager herum lassen sich mit Computermodellen berechnen und über Experimente in Felslabors nachvollziehen. Durch die bereits langjährige Untersuchungstätigkeit der Nagra und anderer Organisationen sind die Temperatureffekte gut untersucht und gut verstanden. Die Untersuchungen zeigen, dass die aktuelle Auslegung des geologischen Tiefenlagers bezüglich Temperatureffekten robust ist und über genügend Reserven verfügt. Eine Kühlung ist deshalb weder vorgesehen noch nötig.
Hochaktive Abfälle (abgebrannte Brennelemente und verglaste Spaltproduktlösungen aus der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen) produzieren durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte über einen längeren Zeitraum Wärme. Die Wärmeproduktion nimmt aber rasch ab und beträgt nach ungefähr 100 Jahren noch die Hälfte der ursprünglichen Wärmeleistung. Das bedeutet, dass Temperatureffekte vor allem in der Anfangsphase des geologischen Tiefenlagers eine wichtige Rolle spielen und bei einer allfälligen Rückholung berücksichtigt werden müssen.
Die Temperatur und die thermische Entwicklung im geologischen Tiefenlager werden aber nicht nur durch die eingebrachten Abfällen beeinflusst, sondern hängen auch von weiteren Faktoren ab:
Geologie im Standortgebiet
Auslegung des Tiefenlagers
Auslegung des Nahfelds
Abfallinventar und Einlagerungskonzept
Geologie im Standortgebiet:
Einen grossen Einfluss auf die Temperaturentwicklung in einem Tiefenlager hat die Geologie im Standortgebiet, insbesondere die Tiefenlage, das Wirtgestein und dessen thermische Leitfähigkeit. So nimmt die Temperatur in der Erdkruste mit zunehmender Tiefe laufend zu, was zu einer bestimmten Grundtemperatur führt, die nicht unterschritten werden kann. Diese Temperatur beträgt im jeweiligen Lagerperimeter der drei Standortgebiete Zürich Nordost (ZNO), Nördlich Lägern (NL) und Jura Ost (JO) je nach Tiefenlage zwischen 33 und 60 °C. Beim Wirtgestein handelt es sich für alle HAA-Lager um Opalinuston. Dieser weist eine Wärmeleitfähigkeit von 1,55 bis 1,9 W/(m K) auf, wobei sich die Wärme entlang der Schichtung (horizontal) besser ausbreiten kann als senkrecht zur Schichtung. Wegen dem Konzept der passiven Sicherheit ist keine Kühlung vorgesehen. Die Wärme wird auch so über die thermische Leitfähigkeit des Gesteins abgeführt, unter anderem deshalb ist die maximale Wärmeleistung der Endlagerbehälter auf 1500 Watt beschränkt.
Auslegung des Tiefenlagers:
Die Anordnung und Länge der Lagerstollen, der Abstand der Lagerstollen zueinander und der Abstand der Endlagerbehälter beeinflussen die Wärmeentwicklung in einem geologischen Tiefenlager (Figur 146-1). Das Referenzkonzept der Nagra sieht derzeit einige hundert Meter lange Lagerstollen (Maximallänge < 1000 m) mit einem Durchmesser von ca. 3 m vor, die schichtparallel und mittig im Wirtgestein angeordnet werden. Die Lagerstollen haben einen Abstand von ca. 40 m; die Endlagerbehälter haben jeweils einen Abstand von 3 m zueinander.
Figur 146-1: Überblick über ein beispielhaftes geologisches Tiefenlager; LMA bezeichnet die langlebigen mittelaktiven Abfälle.
Auslegung des Nahfelds:
Die Endlagerbehälter, das Verfüllmaterial um die Endlagerbehälter und der Ausbau der Lagerstollen beeinflussen die Wärmeentwicklung ebenfalls. Das Referenzkonzept der Nagra (Figur 146-2) geht derzeit von Endlagerbehältern aus geschmiedetem Stahl aus. Um die Endlagerbehälter herum wird Bentonit mit einer geeigneten Einbaudichte als Verfüllmaterial eingebracht. Bentonit bildet eine Sicherheitsbarriere mit sehr guten Radionuklid-Rückhalteeigenschaften (tiefe Löslichkeit, hohe Sorption). Weiter wirkt Bentonit als sehr gute Transportbarriere (kleine Diffusionskoeffizienten) einerseits bei der Freisetzung von Radionukliden aus dem Nahfeld und andererseits als Barriere für den Transport korrosiver Stoffe aus der Geosphäre zu den Endlagerbehältern. Bentonit bietet auch günstige (geochemische) Randbedingungen für die Korrosion/Auflösung der Abfallmatrizen und für das Langzeitverhalten der Endlagerbehälter (Korrosion). Bentonit weist bei genügender Dichte bzw. Quelldruck auch eine Porenstruktur auf, welche die mikrobielle Aktivität weitgehend unterdrückt. Die Lagerstollen selbst müssen für den Betrieb ausgebaut werden. Dies geschieht mit Spritzbeton in den Einlagerungsbereichen.
Figur 146-2: Längsschnitt und Querschnitte durch eine Lagerkammer für hochaktive Abfälle (Nagra 2016b).
Abfallinventar und Einlagerungskonzept:
Letztlich spielt für die Temperatur in einem Tiefenlager auch eine Rolle, was für radioaktive Materialen wann eingelagert werden („Abklingzeit“). Das Referenzkonzept der Nagra geht von einer maximalen Wärmeleistung pro Behälter von 1500 W (für abgebrannte Brennelemente), resp. rund 800 W für verglaste Abfälle aus der Wiederaufarbeitung aus. Dadurch kann sich die Oberfläche eines Endlagerbehälters auf maximal 130 °C (standortabhängig) erwärmen.
Aus den oben genannten Faktoren ergibt sich eine grossräumige mittlere Wärmelast im Lagerbereich, die nach dem aktuellen Konzept der Nagra rund 5 W/m2 beträgt.
Das Gebirge wird nicht geschädigt
Die Wärmelast des geologischen Tiefenlagers kann sich vor allem auf das Porenwasser des umliegenden Gesteins auswirken (Porendruckaufbau durch Ausdehnung des erwärmten Wassers). Deshalb werden Sensitivitätsstudien zur Temperaturentwicklung, zum Porendruckaufbau und zur Wassersättigung für verschiedene geologische Situationen und verschiedene Wärmeproduktionsraten zu verschiedenen Zeitpunkten der Lagergeschichte durchgeführt. Modellierungen und Ergebnisse aus Experimenten zeigen dabei, dass die Porendrücke deutlich unterhalb des Sicherheitskriteriums liegen und so eine Schädigung des Gebirges ausgeschlossen werden kann.
Die Temperaturentwicklung in einem geologischen Tiefenlager steht oft im Fokus internationaler Forschungsprojekte. Seit mehr als 20 Jahren werden verschiedene Heizexperimente in verschiedenen Felslabors weltweit durchgeführt, u.a. im Felslabor Mont Terri und im Felslabor Grimsel. Die Nagra ist von Anfang an diesen Experimenten beteiligt und kann deshalb auf fundiertes Wissen zurückgreifen. Unter anderem aus solchen Experimenten konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass die Temperatur im Wirtgestein nicht dauerhaft über der maximal erreichten Temperatur liegen sollte, die das Gestein im Verlauf seiner Versenkungsgeschichte (Diagenese) erfahren hat. Beim Opalinuston sind dies etwa 80 bis 90 °C; übersteigt die Temperatur im Opalinuston diesen Wert nicht, können mineralogische und geomechanische Veränderungen des Opalinustons ausgeschlossen werden. Die Bentonitverfüllung zwischen Endlagerbehälter und Opalinuston wirkt dabei wie ein Puffer, in dem die Temperatur rasch abnimmt und dafür sorgt, dass die Temperatur im Wirtgestein unter 80 °C liegt.
Weitere Prozesse im Nahfeld eines geologischen Tiefenlagers
Korrosion (Gasbildung)
Der nach dem Referenzkonzept der Nagra vorgesehene Endlagerbehälter aus geschmiedetem Stahl wird nach Verschluss des geologischen Tiefenlagers korrodieren. Damit dieser Prozess einsetzen kann, ist Wasser nötig. Dazu muss das Verfüllmaterial Bentonit mit Porenwasser aus dem Opalinuston aufgesättigt werden. Die Feuchte dringt sehr langsam in den Bentonit ein. Zuerst wird die Auflockerungszone in der Stollenwand aufgesättigt (Abdichtung der Risse im Opalinuston). Allmählich gelangt dann die Feuchte auch in den Bentonit. Während dieser Aufsättigung quillt der Bentonit, die anfänglich grossen Poren schliessen sich und allfällige Hohlräume im Grenzbereich Stollenoberfläche-Bentonit schliessen sich. Eine solche Aufsättigung geht sehr langsam vor sich und dauert bis zur vollständigen Aufsättigung mehrere Hundert Jahre. Nach erfolgter Aufsättigung und ausgeglichenen hydraulischen Druckunterschieden in der Bentonitbarriere fliesst kein Wasser und es bilden sich auch keine neuen Fliesswege. Nach der Aufsättigung ist die Bentonitbarriere dicht und die Durchlässigkeiten sind vergleichbar mit jenen des Opalinustons. Weil kein Wasser fliesst, kann eine rasche Korrosion ausgeschlossen werden. Auch enthält das Porenwasser rund zwanzigmal weniger Salze als Meerwasser, weshalb auch hier eine beschleunigte Korrosion ausgeschlossen werden kann.
Durch diesen langsamen Prozess setzt die Korrosion und damit die Gasbildung erst nach einigen hundert Jahren ein. Zu diesem Zeitpunkt ist das Temperaturmaximum im Lager bereits überschritten und es beginnt sich abzukühlen.
Mikrobielle Aktivitäten
Erkenntnisse aus Experimenten in den Felslabors Mont Terri und Bure (Frankreich) zeigen, dass Opalinuston wahrscheinlich kleine, inaktive Populationen von Mikroben enthält. Deren Aktivität wird aber durch die sehr kleine Porengrösse (0,001–0,025 μm, Bakterien sind grösser 0,1 μm) und die geringe Verfügbarkeit von Wasser (Wasser ist nicht frei verfügbar, sondern als Porenwasser gebunden) stark beschränkt.
Im Verfüllmaterial Bentonit wird die mikrobielle Aktivität unterdrückt durch die Kombination von hohem Druck, hoher Temperatur, wenig verfügbarem Wasser und kleinem Porenraum. Im Nahfeld wird die mikrobielle Aktivität zudem durch den alkalischen Spritzbeton erschwert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Frage wird ebenfalls auf die Antworten der folgenden Fragen verwiesen:
Nagra (2016a): Parametric sensitivity analysis of heat and gas release for a geological repository for SF/HLW in Northern Switzerland. Nagra Arbeitsbericht NAB 17-05.
Nagra (2016b): ENSI-Nachforderung zum Indikator „Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit“ in SGT Etappe 2 – Prüfung der Lager- und Barrierenkonzepte. Nagra Arbeitsbericht NAB 16-42.
