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Arbeitsbericht NAB 14-11
Thermo-hydraulic simulations of the near-field of a SF/HLW repository during early- and late-time post-closure period
Im Hinblick auf die provisorischen Sicherheitsanalysen für Etappe 2 des Sachplans wird in diesem Bericht untersucht, ob in den verfüllten BE/HAA-Lagerstollen des HAA-Lagers durch die Wärmeentwicklung der radioaktiven Abfälle und der damit verbundenen thermischen Ausdehnung des Porenwassers Überdrücke entstehen können, die im Zusammenwirken mit den durch Korrosion hervorgerufenen Gasdrücken allenfalls die Barrierenwirkung des HAA-Lagers negativ beeinflussen können. Die spezifischen temperaturbedingten Phänomene umfassen die Auswirkung der Wärmeentwicklung auf (i) das Wirtgestein und die Auflockerungszone (EDZ), (ii) die Bentonit-Verfüllung, (iii) den Abbau der Abfallgebinde, und (iv) die Löslichkeit, Sorption und Diffusion der freigesetzten Radionnuklide. Für die Beurteilung dieser Fragen wurden numerische Modellanalysen zum Temperatur- und Porendruckaufbau und zur Gasfreisetzung nach Lagerverschluss durchgeführt.
Zu diesem Zweck wurden mit einem generischen 2-D-Modell eines BE/HAA-Lagerstollens Sensitivitätsstudien zur Temperatur- und Druckentwicklung im Lagerumfeld durchgeführt. Der Schwerpunkt der Modellierungen lag auf der Untersuchung des Porendruckaufbaus im den BE/HAA-Lagerstollen und im umgebenden Wirtgestein unter Berücksichtigung der konzeptionellen und parametrischen Ungewissheiten in den vorgeschlagenen Standortregionen. Es sind dies:
- der Einfluss der thermohydraulischen Eigenschaften des Wirtgesteins;
- der Einfluss der Lagertiefe;
- der Einfluss der Wärmeproduktionsrate;
- die potenzielle Interferenz mit der Druckentwicklung durch Gasgeneration.
Die Modellierung des Wärme- und Gastransports wurde für die gesamte Bandbreite der Wirtgesteinseigenschaften des Opalinustons und für typische Lagertiefen (450 m, 600 m, 750 m unter Terrain) durchgeführt, wobei zwei generische Wärmeproduktionsraten (durchschnittliche und maximale Rate) benutzt wurden. Die Simulationen zeigen relativ frühe Druckentwicklung im umgebenden Wirtgestein durch thermische Expansion des Porenwassers, wobei der Druckaufbau in den Lagerstollen erst nach der vollständigen Aufsättigung des Nahfelds nach ca. 100 Jahren erfolgt, wenn die Temperatur des BE/HAA Behälters schon auf unter 100 °C gefallen ist. Der thermisch induzierte Druckaufbau in den BE/HAA Lagerstollen ist dadurch immer geringer als der im umgebenden Wirtgestein. Der durch die Gasgeneration hervorgerufenen Gasdruckaufbau im BE/HAA Stollen führt zu maximalen Überdrücken in den Lagerstollen die nach ca. 300 – 600 Jahren auftreten und typischerweise zwischen 7 und 14.5 Mpa liegen. Die Porendrücke bleiben aber in allen Fällen unterhalb des lithostatischen Drucks. Die räumliche Ausdehnung des durch die Gasfreisetzung hervorgerufenen Druckaufbaus ist beschränkt auf einen eng begrenzten Gebirgsbereich um den Lagerstollen (< 20 m), wobei der Druck nach 2'000 Jahren rapide abfällt, nachdem die Korrosion der Einbauten aufhört. Die Gasgeneration durch Korrosion der BE/HAA Behälter zeigt erst nach ca. 10'000 Jahren einen signifikanten Druckaufbau, wobei der Maximaldruck nach 60000 Jahren viel geringer ist als der thermisch bedingte Porendruck in der frühen Nachbetriebsphase.
In keinem der Rechenfälle (mit den Referenzwerten für Gasgeneration) erreichen die Gasdrücke (bzw. die äquivalenten Porendrücke) den lithostatischen Gebirgsdruck, der in der Lagerstättenkunde häufig als Indikator für die Bewertung der Bohrlochstabilität herangezogen wird. Darüber hinaus bleibt der Gasüberdruck im BE/HAA Stollen im Vergleich zum Porendruck im umgebenden Wirtgestein relativ gering. In den 2-D Modellanalysen werden die Gastransportpfade und Wasserflüsse entlang der Auflockerungszone und den verfüllten Untertagebauwerken nicht berücksichtigt. Diese bilden ein zusätzliches Speichervolumen mit einer beträchtlichen Gastransportkapazität, so dass die Gasüberdrücke im BE/HAA-Nahfeld bei deren Berücksichtigung deutlich reduziert werden. Aus den dargelegten quantitativen Abschätzungen und den konzeptuellen Betrachtungen kann geschlossen werden, dass im HAA-Lager nur moderate Überdrücke infolge von Wärme- und Gasfreisetzung auftreten, welche die Barrierenwirkung der technischen und geologischen Barrieren nicht beeinträchtigen. Diese Schlussfolgerungen gelten für alle HAA-Lagerkonfiguration in den vorgeschlagenen Standortgebieten.