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Technical Report NTB 16-03
Production, consumption and transport of gases in deep geological repositories according to the Swiss disposal concept
In einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle wird die Korrosion verschiedener Metalle und Legierungen unter Sauerstoffabschluss und bei Vorhandensein von Wasser zur Bildung von Wasserstoff führen. Falls vorhanden, kann auch organisches Material langsam abgebaut und zu Kohlendioxid, Methan und anderen gasförmigen Spezies umgesetzt werden. Je nach lokalen Bedingungen können gasförmige Spezies durch chemische Reaktionen und mikrobielle Aktivität verbraucht werden. Wenn jedoch die resultierenden Gasbildungsraten die Diffusionsraten von gelösten Gasmolekülen in den Poren der technischen Barrieren oder des Wirtgesteins übersteigen, werden schliesslich die Löslichkeitsgrenzen der Gase überschritten, wodurch es zur Bildung einer freien Gasphase kommt. Die verschiedenen Gase könnten weiterhin akkumulieren bis der Druck ausreicht, um in der Gasphase freigesetzt zu werden.
Der vorliegende Bericht behandelt die Entwicklung von gasinduzierten Prozessen, die das Langzeitverhalten und die Sicherheit eines SMA- und HAA-Lagers im Opalinuston beeinflussen können. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer Synthese von Prozessen und Phänomenen in Zusammenhang mit in einem Tiefenlager produziertem Gas und einer Bewertung ihres Einflusses auf die Funktionstüchtigkeit eines Tiefenlagers. Der vorliegende Bericht bietet hierzu einen aktuellen Überblick hinsichtlich Quellen, Reaktionen und Wechselwirkungen, Produktion, Verbrauch und Transport von Gas. Darüber hinaus werden basierend auf dem aktuellen wissenschaftlichen Verständnis Kriterien definiert, um den möglichen Einfluss von in einem Tiefenlager produziertem Gas auf die sicherheitsrelevanten Eigenschaften der technischen und geologischen Barrieren zu bewerten.
Die Bewertung der Bildung, des Abbaus und des Transports von Gas erfolgt separat für das HAA- und das SMA-Lager. Die für beide Lagertypen verwendete Methode umfasst die Beschreibung und Quantifizierung der potenziellen Gasquellen, bestehend aus den Abfällen, technischen Barrieren wie den Endlagerbehältern und anderen gasbildenden Lagerkomponenten, sowie die Beschreibung der Prozesse und Reaktionen, die zu Gasbildung und Abbau führen. Weiter wird die Entwicklung der Gasbildungsrate und des kumulierten Gasvolumens für den jeweiligen Betrachtungszeitraum berechnet. Das Ergebnis wird für die Modellierung des Gastransports, sowie des resultierenden Gasdruckaufbaus und gasinduzierten Wasserflusses verwendet, wobei letztere als Indikatoren für die Bewertung herangezogen werden. Ungewissheiten und Varianten werden zu spezifischen Bewertungsfällen kombiniert. Diese werden verwendet, um einerseits die zu erwartende Bandbreite der sicherheitsrelevanten Parameter zu bestimmen und mögliche Auswirkungen von Massnahmen aufzuzeigen, welche die gebildete Gasmenge verringern können. Andererseits sollen Bereiche identifiziert werden, in denen weitere Forschung die grössten Fortschritte erwarten lässt.
Das wichtigste Ergebnis der Bewertung ist, dass für die pessimistischen Basisfälle und sogar für die ungünstigsten untersuchten Fälle die Gasproduktion im HAA- und im SMA-Lager die Sicherheitsfunktionen des Wirtgesteins und der technischen Barrieren nicht beeinträchtigt. In allen untersuchten Fällen ist eine Sicherheitsmarge in Bezug auf die definierten Kriterien vorhanden. Darüber hinaus stehen bei Bedarf mehrere Optionen zur Verfügung, welche die Folgen der Gasproduktion in den Tiefenlagern weiter einschränken. In beiden Lagertypen wird die Gasproduktion von Wasserstoff dominiert, welcher hauptsächlich aus der Korrosion von Kohlenstoffstahl entsteht. Demzufolge könnten alternative Einlagerungs- und Bautechnologien, alternative Endlagerbehältermaterialien oder die Behandlung von metallischen Abfällen durch Einschmelzen die während des Betrachtungszeitraums gebildete Gasmenge verringern. Der Aufbau eines Gasüberdrucks und die daraus resultierende Porenwasserverdrängung könnten ebenfalls eingeschränkt werden durch gedeihende gasverbrauchende Mikroorganismen oder durch die kontrollierte Ableitung von Gas entlang der Zugangsbauwerke (EGTS: «engineered gas transport system»).