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Die Gasentwicklung in einem tiefen geologischen Endlager für radioaktive Abfälle ist nach Abschluss der Einlagerungsphase unter Umständen von ausschlaggebender Bedeutung für die Endlagersicherheit. Im vorliegenden Bericht wird dieser Themenkreis in Bezug auf die Endlagerung von kurzlebigen, schwach- und mittelaktiven Abfällen (SMA) gemäss dem gegenwärtigen Entsorgungskonzept der Nagra untersucht.
Die verschiedenen Gase, die dabei produziert werden können, sowie deren Herkunft werden kurz diskutiert und potentielle Produktionsraten rechnerisch abgeschätzt. Wasserstoff und Methan werden als die beiden wichtigsten Gase erkannt und wurden deshalb vertieft untersucht. Wasserstoff wird vor allem bei der anaeroben Korrosion von Metallen entwickelt, Methan und CO2 hingegen während des chemischen und mikrobiologischen Abbaus von organischen Stoffen unter anaeroben Bedingungen.
Drei Szenarien, die im Zusammenhang mit einer Gasentwicklung von potentieller Bedeutung für ein schweizerisches SMA-Endlager sind, werden identifiziert und näher untersucht:
- die radiologischen Konsequenzen einer Inkorporation von 14C und Tritium in Methan- und Wasserstoffgas und schneller Transport dieser Gase zur Biosphäre
- die Feuer- oder Explosionsgefahr infolge einer Infiltration von Methan und Wasserstoff in geschlossene Räume innerhalb der Biosphäre
- Auswirkungen hoher Gasdrucke, die Wasser aus dem Endlagermilieu zu treiben vermögen und unter Umständen sogar eine zerstörerische Wirkung auf Kavernenbauten haben können.
Die möglichen Auswirkungen im Zusammenhang mit den zwei Betriebsabfallsorten BA-1a und BA-5 (Nagra 1984) wurden weitgehend unter Annahme von extremsten Bedingungen rechnerisch abgeschätzt. BA-1a enthält Ionenaustauscherharze und damit bedeutende Mengen von abbaubaren organischen Stoffen; BA-5 enthält Stahl und andere metallische Abfälle, die in einer Zementmatrix, die potentielle Hauptquelle einer Wasserstoffproduktion, verfestigt sind. Unterkategorien dieser Abfallsorten sowie auch Abfälle mit besonders hohen Gehalten an relevanten Radionukliden wurden ebenfalls betrachtet.
Die radiologischen Auswirkungen einer Inkorporation von 14C und Tritium im Zusammenhang mit einer möglichen Methan- oder Wasserstoffproduktion aus Ionenaustauscherharzen sind äusserst gering. Unter konservativen Annahmen wird die maximale Jahresdosis aus dem durchschnittlichen BA-1a-Abfall auf etwa 10-11 Sv a-1 pro Meter Endlagerstollen geschätzt, wobei 14CH4 die dominierende chemische Komponente darstellt.
Selbst im Falle der Annahme, dass ein kleiner Teil des Abfalls einen wesentlich höheren Gehalt an organischem Material und 14C aufweisen könnte, ist es äusserst unwahrscheinlich, dass dabei eine Jahresdosis von 10-8 Sv a-1 überschritten würde.
Die Produktionsraten für Wasserstoffgas sind zu gering, um an der Erdoberfläche je eine etwaige Feuer- oder Explosionsgefahr verursachen zu können. Würde man aber davon ausgehen, dass ein einziger, schneller Fliesspfad alles (rechnerisch) aus BA-5-Abfällen produzierte Gas in geschlossene Räume an der Erdoberfläche zu transportieren vermag, wäre die untere Explosionslimite erreicht. Für die Anforderungen einer schweizerischen Sicherheitsanalyse wird eine solche Verknüpfung von Faktoren als ein Szenarium betrachtet, welches vom realistischen Standpunkt aus nicht anzunehmen ist.
Für sämtliche Gas-Szenarien geht aus den durchgeführten Auslegerechnungen klar hervor, dass die bedeutendsten Störeinflüsse durch hohe Gasdrücke entstehen, welche einerseits die Grundwasserbewegungen im Endlagerbereich, anderseits dessen strukturelle Integrität beeinträchtigen können. Falls sich das Endlager nach Verschluss sofort wieder mit Wasser aufsättigt, zeigen die rechnerischen Abschätzungen, dass alles bereits produzierte Gas sofort in Lösung gehen würde. Innerhalb von wenigen Jahren aber wird das Porenwasser im Endlager vollständig mit Gasen gesättigt sein und eine freie Gasphase kann sich bilden. Für die Abfallsorte BA-5 ist dieser Zeitpunkt nach etwa 2.5 Jahren erreicht; falls jedoch die Korrosion von Zink und Aluminium voll mit einbezogen wird, bereits schon nach 25 Tagen. Falls nun weiter angenommen wird, dass keine Risse in der Stollenauskleidung vorhanden sind, steigt der Gasdruck rasch an, um bald die herrschenden Kapillarkräfte zu überschreiten. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Gas in die Auskleidung zu dringen oder verursacht Risse, wodurch es in der Folge entweichen kann.
Die dargelegten Auslegerechnungen basieren auf konservativen Annahmen. Für realistischere Betrachtungen kann man davon ausgehen, dass die Gasproduktionsraten mindestens um eine Grössenordnung geringer sind. Der Beitrag zur Gasproduktion durch die Korrosion von Zink und Aluminium wurde möglicherweise überschätzt, da ein wesentlicher Teil des Korrosionsprozesses – und der damit verbundenen Gasentwicklung – bereits schon vor der Einlagerung stattfindet. Die Rechnungen beziehen sich stets auf diejenigen Abfallsorten, die erwartungsgemäss die grössten potentiellen Gasmengen zu produzieren vermögen, und da weiter angenommen wird, dass alle diese Abfälle zusammen eingelagert werden, muss die Bedeutung der Gasproduktion gemäss der jeweils gewählten Verteilung in den Stollen relativiert werden.
Es ist unwahrscheinlich, dass die Stollenauskleidung eine derart geringe Durchlässigkeit hat, dass die Gase nicht entweichen könnten, denn die Bildung feiner Risse beim Abbinden des Betons ist üblich und unvermeidbar. Solche Risse zeichnen sich gegenüber "heilem" Beton durch eine niedrigere Kapillarspannung aus und es ist somit kaum denkbar, dass die aufbauenden Gasdrücke die strukturelle Integrität der Auskleidung beeinträchtigen könnten. Es scheint eher plausibel, dass Wässer aus dem Nahfeld ins Nebengestein getrieben werden.