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Technical Report NTB 04-06
Effects of Post-disposal Gas Generation in a Repository for Spent Fuel, High-level Waste and Long-lived Intermediate Level Waste Sited in Opalinus Clay
Die vorliegende Untersuchung enthält eine umfassende Behandlung aller Fragestellungen, die im Zusammenhang mit der Produktion und dem Transport von Gasen in einem Tiefenlager für abgebrannte Brennelemente (BE), verglaste hochaktive Abfälle (HAA) und langlebige mittelaktive Abfälle (LMA) im Opalinuston des Zürcher Weinlands stehen (Projekt Entsorgungsnachweis). Diese Untersuchung liefert eine Synthese aller Informationen, die über den Verbleib von Gasen zur Verfügung stehen, einschliesslich der Datenquellen und der Argumente und Diskussionen, die in der Geosynthese (Nagra 2002a), im Sicherheitsbericht (Nagra 2002c) und im Bericht Models, Codes and Data (Nagra 2002d) dokumentiert sind.
Die Fragestellung, wie sich die Produktion und der Transport von Gasen in Tiefenlagern auf das Systemverhalten auswirken, wird sowohl innerhalb der Nagra als auch international seit vielen Jahren untersucht. Eine quantitative Analyse ist aus verschiedenen Gründen notwendig: Ein Teil der produzierten Gase kann radioaktive Elemente enthalten (z.B. 14C-haltige Gase), deren Freisetzung aus dem Tiefenlager in die Biosphäre ein Strahlenrisiko bergen kann. Die Gasakkumulation bewirkt möglicherweise einen allmählichen Druckaufbau, der die technischen Barrieren und das Wirtgestein in Mitleidenschaft ziehen und die Grundwasserflüsse beeinflussen könnte, mit potenziellen Auswirkungen auf den Transport gelöster Radionuklide. Schliesslich sind – in Hinsicht auf die Vertrauensbildung in den Sicherheitsnachweis – alle bedeutenden Prozesse, die mit dem Systemverhalten und der Sicherheit in Zusammenhang stehen, in angemessenem Masse zu berücksichtigen.
Der Bericht besteht aus drei Teilen:
Ein erster Teil enthält alle grundlegenden Informationen zum Wirtgestein sowie die Details zur Lagerarchitektur und zu den Abfällen, wobei der Schwerpunkt auf denjenigen Auslegungs- und Materialaspekten liegt, welche die Gasproduktion und den Gastransport aus den Lagerstollen sowie die voraussichtlichen Gasproduktionsraten im Lager beeinflussen. Die Beschaffenheit und Menge an Gas produzierenden Materialien und die Prozesse, die zur Gasproduktion führen, werden im Detail diskutiert. Die insgesamt produzierte Gasmenge beläuft sich auf 4 × 107 m3 (SATP) für BE/HAA und 5 × 105 m3 (SATP) für LMA, wobei die letztere Menge die Beiträge der Zircaloy-Korrosion und des mikrobiellen Abbaus von organischem Material berücksichtigt. Basierend auf einer Stahlkorrosionsrate von 1 μm a-1 beläuft sich die Dauer bis zur vollständigen Korrosion der Behälter auf ca. 2 × 105 Jahre; danach würde kein Gas mehr gebildet.
Im zweiten Berichtsteil werden die für den Gastransport wichtigen Charakteristika der technischen Barrieren und der Geosphäre diskutiert. Die relevanten Gastransportprozesse sind: i) advektiv/diffusiver Transport gelöster Gase im Porenwasser, ii) visko-kapillarer Zweiphasenfluss und iii) dilatanz-gesteuerter Gasfluss. Es wird gezeigt, dass der Gasfluss in makroskopischen, unter Zugspannung stehenden Klüften unter den im Tiefenlager zu erwartenden Bedingungen ausgeschlossen werden kann. Die gasrelevanten Eigenschaften werden für alle Materialien der technischen Barrieren (einschliesslich Bentonit, Sand/Bentonit-Mischung, Zementmörtel und Beton) sowie für das ungestörte Wirtgestein, die Auflockerungszone, steilstehende Störungszonen, Rahmengesteine und für den regionalen Aquifer am Standort diskutiert. Schliesslich wird das konzeptuelle Verständnis der Gastransportpfade dargelegt, die aus den Lagerstollen entweder durch das Stollensystem oder durch das Wirtgestein und weiter durch die darüber liegenden Formationen in die Biosphäre führen.
Der dritte Teil diskutiert die Auswirkungen der Gase auf das Systemverhalten, basierend auf den verfügbaren Informationen über die Gasproduktion, die Gastransporteigenschaften und die Gastransportpfade in den vorhergehenden Berichtsteilen. Dazu werden vereinfachte Modellrechnungen durchgeführt, die auf der Bilanzierung der im Tiefenlager produzierten Gasmengen basieren. Ein erster Schritt dient dazu, die Druckentwicklung und die Gasmigration im Tiefenlager für BE/HAA/LMA zu berechnen. Es wird gezeigt, dass das erzeugte Gas durch das Wirtgestein und das Stollensystem transportiert wird, um danach langsam in der darüber liegenden Wedelsandstein-Formation zu akkumulieren und von dort allmählich durch Diffusion in den Malm Aquifer zu gelangen. In einem zweiten Schritt wird das Modell auf den Transport und auf die Freisetzung von potenziell flüchtigem 14C angewandt. Hierbei wird angenommen, dass der Transport von 14C zusammen mit nicht-radioaktiven Trägergasen (Wasserstoffgas, Methan) erfolgt. Diese Modellrechnungen legen nahe, dass die für solche Fälle berechneten Dosen deutlich unter dem behördlichen Schutzziel liegen. Ein zusätzliches Transportmodell dient dazu, die Auswirkungen einer gas-induzierten Porenwasserverdrängung aus dem Nahfeld in das benachbarte Wirtgestein und/oder durch das Rampe/Schacht-System zu bewerten. Im Rahmen verschiedener Rechenfälle (Basisfall, Parametervariationen, «what if?»-Fall) wird gezeigt, dass die in diesen Fällen zu erwartenden Dosen deutlich unter dem behördlichen Schutzziel liegen.