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Technical Report NTB 01-04
Calculations of the Temperature Evolution of a Repository for Spent Fuel, Vitrified High-Level Waste and Intermediate Level Waste in Opalinus Clay
Die thermische Entwicklung ist ein wichtiger Faktor für das Systemverhalten eines Lagers für radioaktive Abfälle, weil erhöhte Temperaturen viele Prozesse beeinflussen, welche sich auf das Verhalten der technischen Barrieren und des Wirtgesteins auswirken. Im vorliegenden Bericht wird die thermische Entwicklung eines Lagers für abgebrannte Brennelemente, verglaste hochaktive Abfälle (HAA) und langlebige mittelaktive Abfälle (LMA) bewertet. Dabei wird angenommen, dass sich das Lager in einer Tiefe von 650 m im Opalinuston der Nordschweiz befindet. Das Lagersystem besteht aus abgebrannten Brennelementen und HAA, die in Stahlbehältern eingeschlossen und in horizontalen Stollen eingelagert werden. Der Hohlraum zwischen Behältern und umgebendem Gestein wird mit Bentonit verfüllt. Die Einlagerungsstollen weisen einen Abstand von 40 m auf. Betoncontainer mit LMA werden in separaten Tunnels eingelagert, wobei der Hohlraum um die Container mit Zementmörtel verfüllt wird.
Die anfängliche Wärmeproduktion der Abfälle und deren Abnahme im Laufe der Zeit infolge radioaktiven Zerfalls hängen von der Beschaffenheit des Abfalls ab. Einige Behälter enthalten ausschliesslich UO2-Brennelemente, während andere Behälter sowohl UO2- als auch MOX (Mixed Oxide)-Brennelemente enthalten. Die anfängliche Wärmeproduktion beider Behältertypen ist begrenzt auf 1500 W/Behälter, wobei die Wärmeproduktion der UO2/MOX-Behälter aufgrund des signifikant höheren Pu-Gehalts langsamer abnimmt. Die Wärmeproduktion der HAA-Behälter beträgt am Anfang ca. 700 W/Behälter und nimmt aufgrund des niedrigen Aktinidengehalts schneller ab als diejenige von abgebrannten Brennelementen.
Die Temperaturentwicklung der technischen Barrieren und des umgebenden Gesteins wurde mittels eines Finite-Element-Modells simuliert, unter Verwendung von Referenzdaten für die thermischen Eigenschaften von abgebrannten Brennelementen, HAA, Bentonit und Opalinuston. Die Resultate zeigen, dass die Oberflächentemperatur sowohl der Brennelement- als auch der HAA-Behälter innerhalb weniger Jahre nach Einlagerung ein Maximum von ca. 150°C erreicht. Die HAA-Behältertemperatur nimmt allerdings viel schneller ab als diejenige der Brennelement-Behälter. Die Temperaturen im Bentonit hängen stark vom angenommenen Wassergehalt ab. Im Falle der erwartet geringen Wasserzuflussraten aus dem geringdurchlässigen Opalinuston in das Lager weist Bentonit eine geringe thermische Leitfähigkeit auf und die Temperatur in der Mitte zwischen den Brennelement-Behältern und dem Wirtgestein beträgt maximal ca. 110°C. Im Falle der HAA-Behälter bleibt die Temperatur in der Bentonitmitte unter ca. 100°C. Die Temperaturen im Wirtgestein bleiben für alle Zeiten unter ca. 90°C. Im unwahrscheinlichen Fall eines erhöhten Wasserzuflusses aus dem Opalinuston fällt die thermische Leitfähigkeit von Bentonit signifikant höher aus und die Temperaturen an der Behälteroberfläche und im Bentonit sind deutlich vermindert.
Für die Berechnung der Temperaturentwicklung in den LMA-Tunnels wurde ein Boundary-Element-Modell verwendet, das die Wärmeentwicklung infolge Hydratation und radioaktiven Zerfalls berücksichtigt. Die Resultate zeigen, dass die Temperatur innerhalb des technischen Barrierensystems maximal ca. 50°C erreicht, 12°C über der Umgebungstemperatur im Opalinuston in 650 m Tiefe.