Natürliche Analoga Im Wirtsgestein Salz

Natürliche Analoga im Wirtsgestein Salz

Teil1

Generelle Studie (2011)

Teil2

Detailstudien (2012 – 2013)

GRS - 365

Gesellschaft für Anlagenund Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH

Natürliche Analoga im Wirtsgestein Salz

Teil1

Generelle Studie (2011)

Teil2

Detailstudien (2012 – 2013)

Thomas Brasser Christine Fahrenholz Herbert Kull Artur Meleshyn Heike Mönig Ulrich Noseck Dagmar Schönwiese Jens Wolf

Dezember 2014

Anmerkung:

Das diesem Bericht zugrunde liegende F&E-Vorhaben wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Kennzeichen FKZ 02E10719 durchgeführt.

Die Arbeiten wurden von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit(GRS)gGmbH ausgeführt.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt alleine bei den Autoren.

GRS - 365 ISBN 978-3-944161-46-4

Deskriptoren:

Barriere, Endlager, Geochemie, Geologie, Geomechanik, Integrität, mikrobielle Prozesse, Sicherheitsnachweis

Vorwort

Der vorliegende Bericht stellt die Ergebnisse der Studien zu Natürlichen Analoga im Wirtsgestein Salz zusammen, die im Rahmen des Projektes ISIBEL-II (FKZ: 02E10719) durchgeführt wurden. Diese Arbeiten wurden in zwei Schritten durchgeführt: Im Jahr 2011 erfolgte zunächst eine Zusammenstellung vorhandener Studien und Untersuchungen, die als Natürliche Analoga in einem Sicherheitsnachweis für ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle Verwendung finden können. Die Bewertung zielte darauf ab, diejenigen Natürlichen Analoga zu identifizieren, die für das in ISIBEL- I (FKZ: 02E10055) entwickelte Sicherheits- und Nachweiskonzept eine Rolle spielen. Erfüllen Natürliche Analoga diese Voraussetzung nicht, ist ihre Verwendung im Sicherheitsnachweis ohne Bedeutung und kann von den eigentlich zu machenden Aussagen ablenken. Bei dieser Vorgehensweise wurden auch einzelne, bisher hinsichtlich Natürlicher Analoga nicht betrachtete Aspekte identifiziert, für die deren Einsatz jedoch sinnvoll wäre; dies betrifft z. B. die Zerblockung von Anhydrit. Diese Arbeiten wurden 2011 mit einer Bewertung der zusammengestellten Studien hinsichtlich ihrer Verwendungsmöglichkeit als Natürliche Analoga in einem Sicherheitsnachweis abgeschlossen. Die Resultate dieser Arbeiten sind in Teil 1 des vorliegenden Berichtes zusammengefasst und wurden darüber hinaus 2012 auf dem vom Projektträger Karlsruhe (PTKA-WTE) und der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) veranstalteten internationalen Workshop “Natural Analogues for Safety Cases of Repositories in Rock Salt” präsentiert und diskutiert. Die Diskussionen im Rahmen dieses Workshops haben u. a. dazu geführt, eine Intensivierung von Arbeiten zu Natürlichen Analoga bei einigen sicherheitsrelevanten Fragestellungen für sinnvoll zu erachten. 2012 waren auch Ergebnisse aus der vorläufigen Sicherheitsanalyse Gorleben (VSG) zugänglich, die einen Einfluss auf die Bewertung der 2011 durchgeführten Studie haben. Zu nennen sind hier z. B. neue Ergebnisse hinsichtlich einer Zerblockung von Anhydrit, der Bildung von kaltzeitlichen Rinnen, aber auch einer abweichenden Bewertung der Bedeutung von Erdbeben oder kryogener Klüfte in der VSG gegenüber der Bewertung im ISIBEL- Projekt. Auch die Anforderungen an das Barrierensystem sind in der VSG auf Grund der seit 2010 geltenden „Sicherheitsanforderungen an die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle“ etwas modifiziert. Beispielsweise müssen Behälter eine Funktionsdauer von 500 Jahren aufweisen, wodurch der Metallkorrosion wieder eine höhere Bedeutung zukommt. Auf dieser Grundlage wurden in den Jahren 2012 und 2013 neun Detailstudien zu sicherheitsrelevanten Themen durchgeführt, deren Ergebnisse im Teil 2 des vorliegenden Berichtes dokumentiert sind. Diese Dokumentation ist so konzipiert, dass alle Einzelstudien für sich abgeschlossen dargestellt und für den

I
Leser nutzbar sind. Aus diesem Grunde können sich auch einzelne Abbildungen und Literaturzitate wiederholen, die entweder bereits im Teil 1 oder einer anderen Detailstudie im Teil 2 aufgeführt worden sind.

II

Inhaltsverzeichnis

Teil 1

Generelle Studie (2011) ...........................................................................1
123
Einleitung zur generellen Studie ............................................................ 1 Natürliche Analoga im Langzeitsicherheitsnachweis ........................... 3 Natürliche Analoga im Sicherheits- und Nachweiskonzept für ein HAW-Endlager im Salzgestein................................................................ 7

4

Natürliche Analoga für den Integritätsnachweis der geologischen

Barriere................................................................................................... 11

4.1

Grundlegende Argumente für die geologische Endlagerung.................... 11

Beständigkeit von Salzgesteinen ............................................................. 12 Wahrscheinlichkeit neotektonischer Ereignisse ....................................... 16 Erhalt der Integrität der geologischen Barriere......................................... 17 Auswirkungen von Subrosion und Diapirismus ........................................ 17 Wegsamkeiten in der geologischen Barriere............................................ 24 Mechanische Belastbarkeit von Salzgesteinen ........................................ 33 Thermische Belastbarkeit von Salzgesteinen........................................... 35
4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

5

Natürliche Analoga für den Integritätsnachweis der geotechni-

schen Barrieren ..................................................................................... 39

5.1

Hydraulischer Widerstand der einschlusswirksamen Barrieren................ 40

Langzeitverhalten von Verschlussmaterialien im salinaren Milieu............ 42 Langzeitstabilität von Bentonit ................................................................. 43 Langzeitstabilität von zementhaltigen Materialien .................................... 46 Verhalten von organischen Materialien.................................................... 49 Kompaktionsverhalten des Salzgrusversatzes......................................... 50
5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3

6

Natürliche Analoga für die Bewertung von Freisetzungsszenarien... 53

6.1

Radionuklid-Rückhaltung im Nahfeld ....................................................... 53

Stabilität der Glasmatrix........................................................................... 54

6.1.1

III
6.1.2 6.1.3 6.2
Stabilität der Uranmatrix .......................................................................... 57 Rückhaltung von Radionukliden............................................................... 58 Radionuklid-Rückhaltung im Deckgebirge................................................ 61

7

Zusammenfassung und Bewertung ..................................................... 65

Literatur zu Teil 1...................................................................................................... 73

Teil 2

Detail-Studien (2012 - 2013) .................................................................. 93 Einleitung zu den Detail-Studien .......................................................... 93 Zerblockung von Anhydritschichten in Salzformationen ................... 97
89

9.1

Bedeutung für den Sicherheitsnachweis.................................................. 98

Erkenntnisse aus Labor-Experimenten und Modellrechnungen ............... 99 Natürliche Analoga ................................................................................ 104 Gorleben................................................................................................ 105 Morsleben.............................................................................................. 107 Bewertung ............................................................................................. 108 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 108 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 109 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 109 Offene Fragen ....................................................................................... 109 Literatur zu Kapitel 9.............................................................................. 110
9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5 9.6

10

Salzgruskompaktion............................................................................ 113

10.1 10.2
Bedeutung für den Sicherheitsnachweis................................................ 113 Erkenntnisse aus Labor- und In-situ-Experimenten und Modellrechnungen ................................................................................. 114

10.3

Natürliche Analoga ................................................................................ 120

10.3.1

Anforderungen an den zu untersuchenden Versatz und einen Analoga-

Standort................................................................................................. 120

10.3.2

Potentielle Analoga-Standorte für Untersuchungen zur

Salzgruskompaktion .............................................................................. 121

IV

10.4

Bewertung ............................................................................................. 121

Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 122 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 123 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 123 Offene Fragen ....................................................................................... 123 Literatur zu Kapitel 10............................................................................ 124 Anhang: Potentielle Analoga-Standorte ................................................. 130
10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.5 10.6 10.7

11

Chemische Zusammensetzung von Fluideinschlüssen ................... 135

11.1

Bedeutung für den Sicherheitsnachweis................................................ 135

Erkenntnisse aus Labor- und In-situ-Experimenten................................ 135 Natürliche Analoga ................................................................................ 135 Bewertung ............................................................................................. 141 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 141 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 141 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 142 Offene Fragen ....................................................................................... 142 Literatur zu Kapitel 11............................................................................ 142
11.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.5 11.6

12

Thermische Stabilität von Salzgestein............................................... 147

12.1 12.2
Bedeutung für den Sicherheitsnachweis................................................ 147 Erkenntnisse aus Labor- und in-situ Experimenten und Modellrechnungen ................................................................................. 147

12.3

Bewertung ............................................................................................. 151 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala Ungewissheiten ......................... 152 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 152 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 153 Offene Fragen ....................................................................................... 153 Literatur zu Kapitel 12............................................................................ 153
12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.5 12.6

13

Mechanische Stabilität von Salzgestein............................................. 155

13.1

V

13.2

Erkenntnisse aus Labor- und in-situ Experimenten und

Modellrechnungen ................................................................................. 155

13.3

Technische Analoga .............................................................................. 158 Analoga aus dem Bergbau .................................................................... 160 Geologische Analoga............................................................................. 165 Bewertung ............................................................................................. 166 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 167 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 167 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 168 Offene Fragen ....................................................................................... 168 Literatur zu Kapitel 13............................................................................ 168
13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.5 13.6

14

Mögliche Auswirkungen von Erdbeben auf die Integrität von

Salzgestein bzw. ein Endlager............................................................ 171

14.1

Erkenntnisse aus Labor- und In-situ-Experimenten................................ 173 Natürliche Analoga ................................................................................ 174 Untertage-Bauwerke.............................................................................. 174 Gebirgsschläge und Peaceful Nuclear Explosions (PNE) ...................... 177 Bewertung ............................................................................................. 181 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 181 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 181 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 182 Offene Fragen ....................................................................................... 182 Literatur zu Kapitel 14............................................................................ 182
14.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.5 14.6

15

Qualifizierte Verschlüsse .................................................................... 187

15.1

Einsatz von qualifizierten Verschlüssen nach Bergrecht ........................ 188

15.1.1

15.1.2

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit Bezug zum

Sicherheitsnachweis.............................................................................. 189

15.2

Natürliche Analoga und In-situ-Experimenten........................................ 191

VI
15.2.1 15.2.2 15.3
Streckenverschlüsse.............................................................................. 193 Schachtverschlüsse............................................................................... 198 Bewertung ............................................................................................. 200 Grenzen der Anwendbarkeit/0Zeitskala/Ungewissheiten ....................... 201 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 201 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 202 Offene Fragen ....................................................................................... 202 Literatur zu Kapitel 15............................................................................ 203
15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.4 15.5

16

Eisenkorrosion..................................................................................... 213

16.1 16.2

16.3

Bewertung ............................................................................................. 216 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 216 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 217 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 217 Offene Fragen ....................................................................................... 217 Literatur zu Kapitel 16............................................................................ 217
16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3 16.5 16.6

17

Mikrobielle Prozesse ........................................................................... 219

17.1 17.2

17.3

17.3.1

Überlebensfähigkeit von Mikroben im Steinsalz über endlagerrelevante

Zeiträume .............................................................................................. 220
17.3.2 17.3.3 17.3.4
Energiequellen für das Überleben von Mikroben im Steinsalz................ 222 Temperaturlimit für die Überlebensfähigkeit von Mikroben im Steinsalz. 225 Einfluss der Laugenzusammensetzung auf die Überlebensfähigkeit von Mikroben in Salzlaugen................................................................... 225

17.3.5

Populationsgrößen von Mikroben im Steinsalz ...................................... 226

VII
17.3.6 17.3.7 17.4
Metabolische Aktivität von Mikroben im Salinar ..................................... 227 Mikrobielle Effekte im Deck- und Nebengebirge .................................... 228 Bewertung ............................................................................................. 228 Grenzen der Anwendbarkeit/Zeitskala/Ungewissheiten ......................... 229 Verwendungsmöglichkeit im Sicherheitsnachweis ................................. 229 Bewertung der Möglichkeit der Kommunikation ..................................... 230 Offene Fragen ....................................................................................... 230 Literatur zu Kapitel 17............................................................................ 230
17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.5 17.6

Abbildungsverzeichnis........................................................................ 237 Tabellenverzeichnis............................................................................. 243

VIII

Teil 1

1

Generelle Studie (2011)

Einleitung zur generellen Studie

Das wesentliche Sicherheitskonzept bei der Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver und langlebiger Abfälle besteht darin, die Abfälle dauerhaft von der Biosphäre zu isolieren. Auf diese Weise soll der Schutz von Mensch und Umwelt vor ionisierender Strahlung und sonstigen schädlichen Wirkungen dieser Abfälle gewährleistet und unzumutbare Lasten und Verpflichtungen, die von den Abfällen ausgehen können, für zukünftige Generationen vermieden werden /BMU 10/. In Deutschland ist die Entsorgung radioaktiver Abfälle durch deren Endlagerung in tiefen geologischen Formationen vorgeschrieben (analog hierzu werden bereits chemisch-toxische Abfälle vorzugsweise in Untertagedeponien im Salzgestein entsorgt). Der langfristige Einschluss der Abfälle und der in ihnen enthaltenen Schadstoffe muss auch für die Zeit nach Verschluss des Endlagers mit Hilfe eines Langzeitsicherheitsnachweises dargelegt werden. Zu diesem Zweck muss u. a. gezeigt werden, wie sich das Endlager in der Zukunft entwickeln könnte und welche Auswirkungen dies auf die abgelagerten Abfälle und deren Isolation von der Biosphäre hätte.