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Technical Report NTB 03-06
Project Opalinus Clay: Integrated Approach for the Developmentof Geochemical Databases Used for Safety Assessment
Chemische Retention ist ein zentraler Aspekt im schweizerischen Lagerkonzept für abgebrannte Brennelemente/hochaktive Abfälle (BE/HAA) und langlebige mittelaktive Abfälle (LMA). Chemische Retention wird in der Sicherheitsanalyse durch die Anwendung des Konzepts der Löslichkeitslimiten und Kd-Werte berücksichtigt. Die hierfür erforderlichen Daten wurden in fünf geochemischen Datenbanken kompiliert, deren Herleitung ausführlich in den entsprechenden Berichten dargestellt wird (Berner 2002a; 2003; Bradbury & Baeyens 2003a und b; Wieland & Van Loon 2002).
Die Arbeiten für die geochemischen Datenbanken (GDB) wurden von einem Expertenteam des Paul Scherrer Instituts und der Nagra in einem Zeitraum von zwei Jahren auf der Grundlage von jahrelangen umfassenden Forschungsarbeiten durchge-führt. Dabei wurde ein integrierter Ansatz angewendet, der sich auf die Grundsätze der chemischen Thermodynamik, fundierte experimentelle Sorptions- und Diffusionsdaten sowie "Expertenwissen" abstützte. Ein folgerichtiges Vorgehen und verschiedene Qualitätssicherungsmassnahmen trugen dazu bei, dass Retentionsdaten von hoher Qualität gewonnen werden konnten. Ein wichtiges Augenmerk richtete sich auf die Herleitung von transparenten und nachvollziehbaren "besten Schätzwerten" und zugehörigen Unsicherheiten.
Eine dreiteilige Methodik wurde verfolgt. Im ersten Teil wurden die geochemischen Fundamente aufgebaut, was eine detaillierte Aufdatierung der Nagra/PSI Datenbank für Thermodynamik, die Herleitung der geochemischen In-Situ-Bedingungen (z. B. pH und Eh) in den verschiedenen Kompartimenten sowie die Erzeugung von experimentellen Sorptionsdaten für die Ton- und Zementsysteme beinhaltete. Der zweite Teil beinhaltete die Herleitung von wissenschaftlich fundierten Retentionsdaten, d. h. die Löslichkeitslimiten und Sorptionswerte für sicherheitsrelevante Nuklide unter relevanten Lagerbedingungen. Im letzten Teil der Methodik wurden diese Retentionsdaten bezüglich ihrer Anwendung in der Sicherheitsanalyse kritisch begutachtet und gegebenenfalls angepasst. Diese Arbeit beinhaltete auch einen Vergleich mit neulich publizierten Datenbanken von anderen Ländern und die Evaluation von geochemischen Daten, die von natürlichen Analoga stammen.
Die Löslichkeitslimiten-Datenbanken für die Behälter-/Bentonit- und die Zementkompartimente zeigen trotz der Unterschiede in den verwendeten thermodynamischen Daten und in den angenommenen geochemischen Bedingungen eine vernünftige Übereinstimmung mit anderen Datenbanken von kürzlich durchgeführten Sicherheitsanalysen.
Unser Ansatz für die Herleitung der Kd-Werte und der scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Da) im Bentonit und dem tonigen Wirtgestein unterscheidet sich von demjenigen anderer Sicherheitsanalysen. Während sich die letzteren hauptsächlich auf Diffusionsmessungen in kompaktierten Tonen stützen, haben wir systematisch Kd-Werte auf Grund von gut kontrollierten Batchexperimenten hergeleitet und auf kompaktierte In-Situ-Bedingungen übertragen. Dennoch zeigt der Vergleich mit den anderen Sicherheitsanalysen eine recht gute Übereinstimmung in den Kd- und Da-Werten, ausser für vierwertige Nuklide. Diese Übereinstimmung wird ferner durch eine Arbeit gestützt, in der von Batchsystemen hergeleitete Sorptionswerte mit denjenigen aus Diffusionsmessungen in Kunigel-Bentonit verglichen wurden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Kompaktierung und Quellung keine grosse Auswirkung auf die Retentionseigenschaften des Tons haben.
In unserer Sicherheitsanalyse wurden generell höhere Kd- und tiefere Da-Werte für vierwertige Metalle im Bentonit-Nahfeld und im tonigen Wirtgestein gegenüber anderen Sicherheitsstudien verwendet. Diese Diskrepanz ist besonders gross im Fall der redoxsensitiven Tc(IV), U(IV) und Np(IV)-Spezies. Die Gründe hierfür sind nicht eindeutig, könnten aber durch (i) die konservativere Betrachtungsweise der Unsicherheiten in den anderen Sicherheitsanalysen, (ii) ungenügend kontrollierte Redoxbedingungen in den Diffusionsexperimenten, oder (iii) die Übertragung von Batchsorptionsdaten auf kompaktierte In-Situ-Bedingungen hervorgerufen worden sein. Der letzte Punkt erscheint uns jedoch auf Grund der oben erwähnten Hinweise als ziemlich unwahrscheinlich. Für das Zement-Nahfeld ist der Unterschied in den Kd-Werten zwischen unserer und den anderen Sicherheitsanalysen geringer als für die Tonkompartimente.
Eine wesentliche Unsicherheit stellt die Zusammensetzung des Porenwassers in den Tonkompartimenten dar. Diese wurde durch die Berücksichtigung von grossen Bandbreiten der pH/pCO2- und Eh-Bedingungen in der Behandlung der Unsicherheiten für Löslichkeitslimiten und Kd-Werte erfasst. Weitere wichtige konzeptionelle Modellunsicherheiten, die im Rahmen dieser Arbeit identifiziert wurden, betreffen den Effekt der Carbonatkomplexierung auf die Löslichkeit und die Sorption von vierwertigen Metallen, die Redoxchemie von Pu, die Beschaffenheit und die Kristallinität der löslichkeits-kontrollierenden Phasen, die Kinetik von Redoxreaktionen betroffener Nuklide und die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasser in kompaktierten Tonen. Weil die hergeleiteten Datenbanken sich auf eine Referenztemperatur von 25 °C abstützen, ergibt sich eine zusätzliche Unsicherheit durch die etwas höheren erwarteten Temperaturen (≈ 50 °C) unter sicherheitrelevanten Bedingungen. Aus einer provisorischen Betrachtung dieses Aspekts schliessen wir jedoch, dass die Unsicherheit bedingt durch den Temperaturunterschied weniger relevant als die oben erwähnten ist.
Die konzeptionellen Modellunsicherheiten für die Retentionsdaten wurden in den geochemischen Datenbanken durch den konservativen Ansatz bei der Herleitung des Unsicherheitsbereichs und bei der Abschätzung der pessimistischen Werte berück-sichtigt. Ausserdem wurde die grosse Unsicherheit betreffend des Transportverhaltens von redoxsensitiven Nukliden implizit dadurch berücksichtigt, dass die Effekte eines oxidierenden Nahfelds in einem "What if?"-Fall betrachtet wurden.