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Frage 137: Überlegungen zur Erosion eines Teils des HAA-Tiefenlagers
In NAB 16-41, Kapitel 7, führt Nagra aus, dass „für das HAA-Lager im Standortgebiet Nördlich Lägern einzig die Forderung nach einer größeren Tiefe zum besseren Schutz vor Erosion dazu führen könnte, die große Tiefenlage nicht als eindeutigen Nachteil einzustufen“.
Auch in der Präsentation auf der 32. Sitzung des TFS betonte Nagra im Zusammenhang mit der Tiefenlage die Bedeutung der Abwägung zwischen bautechnischen Aspekten einerseits, und dem Schutz vor Erosion andererseits.
Die Überlegungen zur Erosion eines Teils des HAA-Lagers in Kapitel 7 des NAB 16-41 werden allerdings nur sehr summarisch dargestellt. Insbesondere werden die gewählten Annahmen nicht dokumentiert; es wird nicht erläutert, welche Varianten betrachtet wurden und als wie wahrscheinlich bzw. plausibel diese anzusehen wären. Für die resultierenden Dosiswerte werden Bandbreiten angezeigt, ohne dass erläutert wird, wie diese Bandbreiten ermittelt wurden und wie belastbar die Zahlen sind.
Diese summarische Darstellung wird der Bedeutung des Themas kaum gerecht.
Kann eine ausführliche Dokumentation zur Erosion eines Teils des HAA-Lagers vorgelegt werden, mit genauer Darlegung und Begründung der Annahmen und der betrachteten Varianten sowie mit genauer Diskussion der Ergebnisse einschließlich der Bandbreiten und Ungewissheiten?
Im Rahmen der Erarbeitung der Zusatzdokumentation zur Nachforderung des ENSI zum Indikator “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit” in Etappe 2 SGT quantifizierte die Nagra die Auswirkungen der erosiven Freilegung eines Teils des HAA-Lagers als “What if?”-Dosisberechnungen als Input für die Abwägung zwischen minimaler Tiefenlage (Schutz vor einer allfälligen erosiven Freilegung in ferner Zukunft) und maximaler Tiefenlage (bautechnische Erschwernisse in naher Zukunft). Die Resultate der “What if?”-Berechnungen wurden in NAB 16-41 in einer Abbildung (Figur 7-1) präsentiert, ohne im Detail auf die zugrundeliegenden Annahmen einzugehen. Diese Annahmen werden in der vorliegenden Antwort erläutert. Die Nagra hat die radiologischen Auswirkungen einer hypothetischen Freilegung von Teilen eines HAA-Lagers anhand von vereinfachten Dosisberechnungen untersucht. Anhand einer breiten Sensitivitätsanalyse wurden die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert, die zu einer zusätzlichen Strahlenexposition der im Gebiet lebenden Bevölkerung beitragen. Zur Illustration des Bereichs der berechneten Dosiswerte hat die Nagra drei Szenarien betrachtet (ungünstiger, günstiger und plausibler Fall). Die zu erwartenden maximalen Dosiswerte weisen dabei ein breites Spektrum auf und bewegen sich zwischen sehr niedrigen Dosiswerten bis zu maximalen Dosiswerten im Bereich der natürlichen Strahlenexposition in der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die maximalen Dosiswerte im Zeitraum zwischen 300’000 Jahren und 1 Million Jahren bei ansonsten gleichen Bedingungen nur wenig abnehmen. Nach einer für jedes Standortgebiet sichergestellten Einschlussphase von ca. 300‘000 Jahren hat ein verlängerter Schutz vor glazialer Tiefenerosion (bzw. Erosion allgemein) also bezüglich Reduktion der maximalen Dosen nur einen beschränkten Einfluss.
Ausgangspunkt: Beschreibung einer möglichen Sequenz, die zu einer Verletzung des HAA-Lagers durch glaziale Übertiefung führen könnte
Es wird davon ausgegangen, dass in ferner Zukunft ein Gletscher eine Rinne in den Sedimenten oberhalb des Malms erodiert (bzw. der Gletscher erodiert die Auffüllung einer bestehenden Rinne und vertieft diese), anschliessend eine enge Rinne im Malm erodiert und schliesslich den Opalinuston und dabei einen Teil des Lagers verletzt. Dabei wird Material des Lagers (inkl. darin enthaltene radioaktive Stoffe der eingelagerten Abfälle) mit grossen Mengen an Wasser und anderem Sediment nach oben transportiert und im Vorfeld des Gletschers bzw. weiter stromabwärts abgelagert. Die Ablagerung kann durch den vorrückenden Gletscher überfahren werden; dabei wird die Ablagerung weiter verteilt. Beim Rückzug des abschmelzenden Gletschers bleibt eine mit Wasser bzw. Sedimenten gefüllte Rinne zurück. Der Fluss im Vorfeld des ehemaligen Gletschers kann stromabwärts zu Materialverlagerungen führen. Nach einiger Zeit kommt es zur Bodenbildung auf dem abgelagerten Material. Beispielhaft ist ein mögliches Ergebnis einer solchen Sequenz (“Analog-Situation”) in Figur 137-1 abgebildet.
“What if?”-Dosisberechnungen: Einflussfaktoren für die Radionuklidverteilung und den Radionuklidtransport im betrachteten Biosphärengebiet
Für die Dosisberechnungen wird ein Modell bereitgestellt, welches beschreibt, wie durch Gletschererosion nach oben gebrachte radioaktive Stoffe aus dem Lager, die im Abstrombereich des Gletschers zusammen mit grossen Mengen an Sediment (teilweise [1]) abgelagert werden, in die Ernährungskette des Menschen gelangen und zu einer Dosis führen können. Dabei werden die folgenden Einflussfaktoren abgebildet und bewertet [2]:
Unterschiedliche Ablagerungsorte für gelöste Stoffe, Partikel, Sand, Kies
Mächtigkeit der abgelagerten Sedimentschichten
Grösse des Ablagerungsgebiets und – damit verbunden – Grösse des Biosphärengebiets
Menge der aus dem Ablagerungsgebiet weiter stromabwärts transportierten Stoffe (in gelöster und fester Form)
Ablagerungshorizont: Im gesättigten Bereich in gewisser Tiefe? In Oberflächennähe? Grad der Vermischung der radioaktiven Stoffe aus dem Lager mit Sedimenten?
Mobilisierung der radioaktiven Stoffe: Auflösungsrate der abgelagerten Brennstoff-Partikel, Sorption/Desorption der Radionuklide
In Oberflächennähe: Aufstieg von gelösten Radionukliden in den Oberboden (kapillarer Aufstieg, Diffusion); Aufnahme von Radionukliden durch Pflanzen/Tiere, Auswirkungen der Bodenerosion
Transport von gelösten Radionukliden nach unten (Versickerung, Diffusion)
Transport von gelösten Radionukliden aus den tieferen Bodenschichten in die darunterliegenden Sedimente/Grundwasserträger (Advektion, Diffusion), Eintrag in den Fluss
Allfällige Bewässerung: Entnahme aus einem Fluss/aus Grundwasser?
Trinkwasser: Entnahme aus dem Fluss/aus dem Grundwasserträger?
Tränkwasser für Nutztiere: Entnahme aus dem Fluss/aus dem Grundwasserträger?
Für die Berechnungen wird der Biosphärencode der Nagra verwendet. Das entsprechende Modell wird nachfolgend kurz vorgestellt. Für eine detaillierte Beschreibung siehe NAB 13-04 bzw. NTB 14-09.
Das Biosphärenmodell: Kompartimente, Prozesse, Expositionspfade
Figur 137-2 zeigt schematisch die im Modell abgebildeten Kompartimente und Prozesse, Figur 137-3 die Expositionspfade, welche zu einer Dosis führen können.
Für die Abschätzung des Einflusses der glazialen Tiefenerosion auf die berechneten Dosen wichtige Kompartimente und Prozesse
Um den Einfluss der Annahmen bzgl. Kompartimente und Prozesse zu evaluieren, wurde eine breite Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass die spezifischen Annahmen bzgl. folgender Kompartimente und Prozesse eine wichtige Rolle spielen:
Erodierter Anteil des Lagers bzw. Anteil, der im betrachteten Biosphärengebiet abgelagert wird
Grösse des von der potentiell am meisten betroffenen Bevölkerungsgruppe genutzten Biosphärengebiets
Ablagerungskompartiment: Ablagerung radioaktiver Stoffe im Unterboden bzw. in tieferen Schichten
Auflösung BE/HAA-Bruchstücke im Ablagerungskompartiment
Transport von Radionukliden aufgrund Hebung/Erosion (Feststoff-Flüsse tiefere Schichten → Unterboden → Oberboden → Fluss)
Trinkwasser-Entnahme: aus Fluss bzw. aus tieferen Schichten
Tränkwasser für Nutztiere: Wasserentnahme aus Fluss bzw. aus tieferen Schichten
Bewässerung: Wasserentnahme aus Fluss bzw. aus tieferen Schichten
Betrachtung von verschiedenen Situationen
Zur Illustration des Einflusses der Annahmen bzgl. Kompartimente und Prozesse auf die berechneten Dosen werden drei verschiedene Situationen betrachtet und mittels eines ungünstigen Falls, eines günstigen Falls und eines für die hier thematisierte Fragestellung plausiblen Falls charakterisiert (vgl. Tabelle 137-1). Der ungünstige und der günstige Fall werden als “Extrem-Fälle” parametrisiert, um den Einfluss einer sehr grossen Bandbreite von angenommenen Situationen auf die berechneten Dosen zu illustrieren.
In Tabelle 137-2 werden die Annahmen erläutert. Anschliessend werden die drei Fälle bzgl. der wichtigsten Prozesse und Expositionspfade stichwortartig charakterisiert; die Schriftfarben entsprechen dabei den Farben für die Prozesse in den Figuren 137-4, 137-5 und 137-6.
Ablagerung radioaktiver Stoffe in tieferen Schichten
Auflösung Brennelement-Bruchstücke mit realistischer Auflösungsrate
Trinkwasser-Entnahme aus tieferen Schichten
Wichtigste Expositionspfade:
Trinkwasser
Schlussfolgerungen
Die radiologischen Auswirkungen eines hypothetischen “What if?”-Szenarios mit Freilegung von Teilen des HAA-Lagers wegen glazialer Tiefenerosion im Zusammenhang mit der Bildung übertiefter Rinnen in ferner Zukunft wurden anhand von vereinfachten Dosisberechnungen untersucht.
Dazu wurde angenommen, dass ein typischer, heute beobachtbarer Sedimentationsraum im Vorfeld einer glazial übertieften Rinne durch Tiefenerosion abgelagertes radioaktives Material aus einem HAA-Lager enthält und so eine zusätzliche Strahlenexposition der dort lebenden Bevölkerung resultiert. Anhand einer breiten Sensitivitätsanalyse wurden der Erosionszeitpunkt, das Biosphärenkompartiment (das die erodierten Lagerbestandteile enthält), die Auflösungsraten für abgebrannte Brennelement (BE) und verglaste hochaktive Abfälle (HAA), die Herkunft von Trinkwasser, Tränkwasser und Bewässerung im betrachteten Gebiet sowie das Ausmass der Bodenerosion/-neubildung (aufgrund grossräumiger Hebung/Erosion) als wesentliche Einflussfaktoren identifiziert.
Die Umsetzung dieser Erkenntnisse in einen ungünstigen Fall, einen günstigen Fall und einen für die hier thematisierte Fragestellung plausiblen Fall zeigt, dass die zu erwartenden maximalen Dosiswerte ein breites Spektrum aufweisen. Sie erstrecken sich von sehr niedrigen maximalen Dosiswerten (vier Grössenordnungen und mehr unter dem behördlichen Schutzkriterium 1 von 0,1 mSv/a) bis zu maximalen Dosiswerten, welche im Bereich der natürlichen Strahlenexposition in der Schweiz liegen.
Die Ergebnisse zeigen auch, dass die maximalen Dosiswerte im Zeitraum zwischen 300’000 Jahren und 1 Mio. Jahren bei ansonsten gleichen Bedingungen nur wenig abnehmen; nach einer für jedes Standortgebiet sichergestellten Einschlussphase von ca. 300‘000 Jahren hat ein verlängerter Schutz vor glazialer Tiefenerosion (bzw. Erosion allgemein) also bzgl. Reduktion der maximalen Dosen nur einen kleinen Einfluss.
Kommentierung durch den Fragesteller und ergänzende Fragen
Im Zuge der Kommentierung der schriftlichen Antwort durch den Fragesteller wurden folgenden Anmerkungen und Fragen am 10. Oktober 2017 nachgereicht:
Der erodierte Anteil des Lagers ist abhängig von der Breite der Rinne im tiefsten Bereich. Laut Angaben der Nagra zeigt eine Analyse von Felsrinnen in der Nordschweiz, dass diese Bereiche eine Breite von 50 bis 300 m aufweisen. Angesichts dessen erschließt es sich nicht unbedingt, warum als ungünstigster Fall eine Breite von 200 m angenommen wurde (und nicht mindestens 300 m).
Im Hinblick auf die Bodenerosion ist aus den Darlegungen in der Antwort nicht ersichtlich, warum die Annahme für den ungünstigsten Fall jener für den plausiblen Fall entspricht. Warum wurde nicht beispielsweise konservativ ein um einen Faktor 2 größerer Wert genommen?
Weiterhin ist nicht ersichtlich, ob für die Wassermengen sowie die Mengen an anderem Sediment, mit denen das Material des Lagers nach oben transportiert wird, ebenfalls verschiedene Varianten betrachtet wurden. Hier wäre eine Erläuterung der durchgeführten Variationen bzw. eine Begründung, warum keine Variationen durchgeführt wurden, von Interesse.
Beantwortung der ergänzenden Fragen durch die Nagra
a)
Eine Analyse der Form von glazial übertieften Felsrinnen in der Nordschweiz zeigt in der Tat, dass die tiefsten Bereiche der Rinnen eine Breite im Bereich von ca. 50 – 300 m aufweisen (Tabelle 137-2). Diese Breite ist unter Anderem abhängig von der Lithologie. Rinnen mit Relevanz für eine Freilegung eines geologischen Tiefenlagers müssen in den Gebieten ZNO und NL neben Molasse ca. 200 m mächtige Malmkalke durchschneiden. In einer solchen Situation sind Schmelzwasser-Rinnen typischerweise schmaler; deshalb wurde für den ungünstigen Fall eine äquivalente Breite der Rinne von 200 m (und nicht der obere Eckwert von 300 m) gewählt. In Figur 137-11 werden die berechneten maximalen Dosiswerte für einen ersten alternativen ungünstigen Fall mit einer Breite der Rinne von 300 m gezeigt. Figur 137-11 (im Vergleich mit Figur 137-7) zeigt, dass die berechnete maximale Dosis mit diesem Parameter wie erwartet linear skaliert (1.35 mSv/a bei 300 m Rinnenbreite; 0.897 mSv/a bei 200 m Rinnenbreite).
b)
Die erwähnten Sensitivitätsanalysen zeigten, dass die Bodenerosion kein sensitiver Parameter ist; deshalb wurde im ungünstigen Fall der gleiche Wert genommen wie für den plausiblen Fall (0.27 kg m-2 a-1). In Figur 137-12 werden die berechneten maximalen Dosiswerte für einen zweiten alternativen ungünstigen Fall mit einem um einen Faktor 2 grösseren Wert der Bodenerosion (0.54 kg m-2 a-1) gezeigt. Figur 137-12 (im Vergleich mit Figur 137-7) bestätigt, dass die Bodenerosion kein sensitiver Parameter ist (Erhöhung der berechneten maximalen Dosis beim Zeitpunkt der Tiefenerosion von 106 a von 0.897 mSv/a auf 0.921 mSv/a; d.h. um weniger als 3%).
c)
Bezüglich der Wassermengen sowie der Mengen an anderem Sediment, mit denen das Material des HAA-Lagers nach oben transportiert wird, sind grundsätzlich folgende Varianten zu deren Ablagerung und diesbezüglichen Auswirkungen denkbar:
Varianten zur Mächtigkeit der im Biosphärengebiet abgelagerten Sedimente
Varianten zur Ausdehnung des Ablagerungsgebiets bzw. des Biosphärengebiets
Verfrachtung und Ablagerung von Sedimenten in weiter stromabwärts liegende Gebiete
Dabei ist festzuhalten, dass die Wassermengen und die Mengen an anderem Sediment, mit denen das Material des HAA-Lagers nach oben transportiert wird, korreliert sind: Grössere Wassermengen gehen meist mit grösseren Mengen an transportierten Sedimenten einher bzw. kleinere Wassermengen bedeuten kleinere Mengen an transportierten Sedimenten.
Varianten zur Mächtigkeit und Ablagerungssequenz der im Biosphärengebiet abgelagerten Sedimente (Punkt 1) sind durch die Betrachtung von Varianten zum Ablagerungskompartiment abgedeckt (vgl. Figur 137-7 für den ungünstigen Fall mit einer Ablagerung im Kompartiment “Unterboden” und Figur 137-8 für den plausiblen Fall und Figur 137-9 für den günstigen Fall, beide mit einer Ablagerung im Kompartiment “tiefere Schichten”). Die mit diesen Varianten verbundenen Bandbreiten der maximalen Dosen sind in Figur 137-10 enthalten.
Varianten mit einer grösseren Ausdehnung des Ablagerungsgebiets bzw. des Biosphärengebiets (Punkt 2) wären mit einer Durchmischung des Materials aus dem HAA-Lager mit grösseren Mengen an anderem Sediment verbunden und würden deshalb grundsätzlich niedrigere maximale Dosen ergeben. Varianten mit einer kleineren Ausdehnung des Ablagerungsgebiets bzw. des Biosphärengebiets werden als unplausibel eingestuft, da die Freilegung (selbst nur eines Teils) des HAA-Lagers eine entsprechende (grössere) Vereisung mit zugehörigen (grossen) Materialumsätzen und entsprechend grossen Ablagerungsräumen voraussetzt.
Eine Verfrachtung und Ablagerung von Sedimenten in weiter stromabwärts liegende Gebiete (Punkt 3) würde analog zu Punkt 2 ebenso eine Durchmischung mit grösseren Mengen an anderem Sediment nach sich ziehen (insbesondere aufgrund des grösseren Einzugsgebiets) und würde deshalb grundsätzlich auch niedrigere maximale Dosen ergeben.
[1]Gelöste und an Feststoffe gebundene radioaktive Stoffe können auch aus dem unmittelbaren Abstrombereich des Gletschers mit dem Fluss wegtransportiert werden und können somit nicht mehr in die Ernährungskette der allenfalls dort lebenden Menschen gelangen.
[2]Unter Berücksichtigung der Bedingungen beim Transport von Material aus dem tiefen Untergrund (grosse Sedimentfrachten verbunden mit erheblichen Wasserflüssen).
[3]Anmerkung zur Fraktionalen Auflösungsrate für BE und HAA: Für die HAA wurden breite Parametervariationen durchgeführt, die zeigen, dass ihr Beitrag im Vergleich zu den BE vernachlässigbar ist: Auch für hypothetisch hohe Auflösungsraten der HAA liegen die Dosen unterhalb des behördlichen Schutzkriteriums.
Referenzen
NAB 16-41: ENSI-Nachforderung zum Indikator “Tiefenlage im Hinblick auf bautechnische Machbarkeit” in SGT Etappe 2 – Zusammenfassende Darstellung der Zusatzdokumentation (Hauptbericht). Nagra Arbeitsbericht.
NAB 13-04: SGT Etappe 2: Biosphärenmodellierung für die provisorischen Sicherheitsanalysen. Nagra Arbeitsbericht.
NTB 14-09: Provisional Safety Analyses for SGT Stage 2: Models, codes and general modelling approach. Nagra Technischer Bericht.