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Arbeitsbericht NAB 13-92
Sensitivity analyses of gas release from a L/ILW repository in the Opalinus Clay in the candidate siting regions of Northern Switzerland
Im Hinblick auf die provisorischen Sicherheitsanalysen für Etappe 2 des Sachplans wird in diesem Bericht untersucht, ob in den verfüllten Lagerkavernen des SMA-Lagers durch Korrosion sowie Materialdegradation und der damit verbundenen Gasbildung Gasdrücke entstehen können, die allenfalls die Barrierenwirkung des geologischen Tiefenlagers negativ beeinflussen könnten. Für die Beurteilung dieser Frage wurden numerische Modellanalysen zum Gasdruckaufbau und zur Gasfreisetzung nach Lagerverschluss durchgeführt.
Hierzu wurden mit einem generischen 3-D-Modell eines SMA-Lagers Sensitivitätsstudien zur Gasfreisetzung für verschiedene Situationen durchgeführt. Der Schwerpunkt der Modellierungen lag auf der Untersuchung der potenziellen Gasfreisetzungspfade und des Gasdruckaufbaus in den verfüllten Lagersystemen unter Berücksichtigung der konzeptionellen und parametrischen Unterschiede bzw. Ungewissheiten in den vorgeschlagenen Standortregionen. Hierzu zählen:
- der Einfluss der Gastransportkapazität des Wirtgesteins und der geologischen Standortbedingungen (Porenwasserdruck, Temperatur, Sättigung);
- der Einfluss der Gasproduktionsraten;
- die Rolle der verfüllten Untertagebauwerke als zusätzlicher Gasfreisetzungspfad.
Gasfreisetzungsmodellierungen wurden für die gesamte Bandbreite der Gastransportparameter des Opalinustons (Referenzwerte sowie obere/untere Eckwerte) und für typische Lagertiefen (300 m, 500 m, 700 m unter Terrain) durchgeführt. Die berechneten maximalen Überdrücke in den Lagerkavernen treten nach ca. 1‘000 - 10‘000 Jahren auf. Mit überhydrostatischen Gasdrücken und hoher Gassättigung der Lagerkavernen ist über den gesamten Zeitraum der Gasproduktion zu rechnen. Die Gasdrücke überschreiten aber nur in wenigen Rechenfällen den lithostatischen Gebirgsdruck, der in der Literatur häufig als Indikator für die mechanische Schädigung des Gebirges herangezogen wird. Dies gilt für den Rechenfall mit konservativen Gasproduktionsraten sowie für zwei Parametervarianten mit einer zu geringen Gastransportkapazität der verfüllten Untertagebauwerke. Um den Gasüberdruck auch bei sehr geringer Durchlässigkeit des Wirtgesteins und / oder bei erhöhter Gasbildung gering zu halten, können die Gastransporteigenschaften der Verfüll- und Versiegelungsmaterialien an die entsprechende Lagersituation angepasst werden („Engineered Gas Transport System“ – EGTS). Die Sensitivitätsstudien zeigen auf, dass bei geeigneter Auslegung des EGTS der maximale Gasdruck in den Einlagerungskavernen für alle untersuchten Lagervarianten deutlich unterhalb des lithostatischen Drucks gehalten werden kann.
Die quantitativen Abschätzungen im Rahmen der 3-D Modellanalysen wurden exemplarisch für den Opalinuston als Wirtgestein durchgeführt. Sie zeigen, dass bei geeigneter Auslegung des EGTS in einem SMA-Lager unabhängig vom Wirtgestein nur moderate Gasüberdrücke auftreten, welche die Barrierenwirkung der technischen Barrieren und des Wirtgesteins nicht beeinträchtigen. Diese Schlussfolgerungen gelten für alle SMA-Lagerkonfiguration in den vorgeschlagenen Standortgebieten der Nordschweiz und in den Helvetischen Mergeln der Zentralschweiz.
Schliesslich ist zu erwähnen, dass bei Bedarf Massnahmen zur Reduktion der Gasbildungsraten getroffen werden können (z. B. Einschmelzen von metallischen Abfällen). Darüber hinaus könnten die gasbildenden Materialien in den SMA-Lagerkavernen deutlich reduziert werden (z. B. Pyroloyse von Organika). Ausserdem wurden im Rahmen des aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprogramms der Nagra umfassende Studien initiiert, um die Ungewissheitenbezüglich der erwarteten Gasgenerationsraten zu reduzieren. Weitere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der biogenen Konversion von Wasserstoff in Methan, was zu einer signifikanten Volumenreduktion der akkumulierten Gasmengen führen kann.