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Technical Report NTB 09-02
A Review of Materials and Corrosion Issues Regarding Canisters for Disposal of Spent Fuel and High-level Waste in Opalinus Clay
Das Projekt «Entsorgungsnachweis», das die Nagra dem Schweizerischen Bundesrat im Dezember 2002 vorlegte, beurteilt die Machbarkeit der sicheren Endlagerung von abgebrannten Brennelementen (BE), hochaktiven verglasten Abfällen aus der Wiederaufarbeitung (HAA) und langlebigen mittelradioaktiven Abfällen im Opalinuston in einem Standortgebiet im nördlichen Teil der Schweiz. Für die Endlagerung von BE/HAA wurden von der Nagra Kohlenstoffstahlbehälter vorgeschlagen und als alternatives Konzept Kupferbehälter mit Gusseiseneinsatz. In seiner Stellungnahme anerkannte der Bundesrat, dass die Nagra die technische Machbarkeit einer sicheren Endlagerung von BE/HAA erfolgreich nachgewiesen hat. Von einigen der beauftragten Experten wurden jedoch Fragen aufgeworfen bezüglich der Wahl von Stahl als Behältermaterial. Unter anderem wurde die Frage gestellt, ob Wasserstoff, der durch Korrosion von Stahl in Kontakt mit gesättigtem Bentonit entsteht, nicht die Funktion der Opalinuston-Barriere negativ beeinflussen könnte. Es wurde auch empfohlen, andere Werkstoffe und/oder Auslegungs-Konzepte für die Behälter zu evaluieren.
Um diese Fragen weiter zu klären, hat die Nagra eine Gruppe von internationalen Experten, das «Canister Materials Review Board» (CMRB) beauftragt, bestehendes Wissen über Werkstoffe, die sich für die vorgesehenen Endlager-Bedingungen eignen würden, zu beurteilen. Basierend auf neuesten Erkenntnissen der Materialwissenschaft sollte das CMRB der Nagra die best geeigneten Werkstoffe vorschlagen, welche die Anforderungen für BE/HAA-Behälter erfüllen können. Insbesondere sollte das CMRB durch Korrosion und Zugspannungen hervorgerufene Schädigungsprozesse in Erwägung ziehen, welche die Integrität und vorgesehene Lebenserwartung von BE/HAA-Behältern beeinflussen, oder das Funktionieren der geologischen Barrieren durch Wasserstoffbildung beeinträchtigen könnten. Dabei war auch die grundsätzliche Möglichkeit der Herstellung, des Verschlusses und Inspektion der Behälter im Auge zu behalten. Ferner sollte das CMRB die Bedürfnisse für weitere Studien der Nagra zum Langzeitverhalten und der Sicherheit von BE/HAA-Behältern im Rahmen des schweizerischen Endlagerkonzepts abklären und entsprechende Vorschläge machen.
Für die Beurteilung des Korrosionsverhaltens der Behälter unterschied das CMRB vier zeitliche Phasen, während welcher die für die Korrosion massgebliche Umgebung von aerob/trocken zu anaerob/nass ändert. Für jede Phase wurden mögliche Schädigungsmechanismen identifiziert und kritisch beurteilt, einschliesslich Strahlungeffekte, feste Reaktionsprodukte, Aktivität von Mikroben und das mögliche Auftreten von spannungsinduzierten Schadensfällen. Das CMRB kommt zum Schluss, dass die von der Nagra vorgestellten Argumente überzeugend sind und dass die Verwendung von in Bentonit eingebetteten Stahlbehältern als Teil eines Multi-Barrierensystems, mit Opalinuston als geologischer Barriere, ein gangbares Konzept zur sicheren Endlagerung von BE/HAA-Abfällen darstellt unter der Voraussetzung, dass sich die von der Nagra angegebenen maximal vertretbaren Wasserstoffbildungsraten auch in Zukunft bestätigen lassen. Einige Aspekte im Zusammenhang mit dem Langzeitverhalten von Stahlbehältern verlangen nach weiteren Abklärungen durch die Nagra, aber das CMRB fand keinen Grund, der das auf Stahlbehältern basierende Multi-Barrierenkonzept der Nagra grundsätzlich in Frage stellen würde. Das CMRB meint, dass das von der Nagra präsentierte Forschungsprogramm sorgfältig geplant, effizient und realistisch ist. Innerhalb des Planungshorizonts für die Erstellung eines schweizerischen geologischen Tiefenlagers für BE/HAA-Abfälle ist der von der Nagra vorgesehene Zeitplan für die Behälterentwicklung realistisch. Während einerseits die Evaluation der Entwicklung der näheren Umgebungsbedingungen und deren Einfluss auf das Korrosionsverhalten von Stahl konsequent weiter verfolgt werden soll, empfiehlt das CMRB der Nagra umgehend ein umfassendes Programm einzuleiten, um technische Lösungen für die Herstellung, das Schweissen, die Oberflächenbehandlung und die Spannungsminderung von dickwandigen Stahlbehältern zu evaluieren.