Während Japan und Deutschland nach den katastrophalen Folgen des Tsunamis  aus der Kernenergie aussteigen möchten, gibt es zahlreiche Länder, dessen Strom zu einem hohen Prozentsatz in Kernkraftwerken erzeugt wird (zB Frankreich, 74%). Ein einziger Reaktor produziert dabei etwa 20t radioaktiven Abfalls bzw. spent nuclear fuel (SNF) pro Jahr (BRUNO & EWING, 2006). Bei derzeit 437 aktiven Atomkraftwerken und weiteren aktiven Planungen und Bautätigkeiten werden auch in der Zukunft noch große Mengen und Volumina an radioaktiven Materials entstehen. Im folgenden wird dabei die Endlagerung besprochen, bei der es im Gegensatz zur Zwischenlagerung die Prozesse und Wechselwirkungen über sehr lange Zeiträume ablaufen. Die günstigen bzw. ungünstigen Eigenschaften potentieller Wirtsgesteine eines Endlagers sind in Abbildung 1 gezeigt. Ein geeigneter Standort zur Endlagerung in Tonstein muss eine geringe seismische Aktivität (kleiner Erdbebenzone 1 nach DIN 4149), keinen quartären Vulkanismus und eine Fläche von mindestens 10 km² aufweisen. Da sich Tonstein in der Vergangenheit als Fallenstruktur bei der Kohlenwasserstoffexploration bewährt hat sind die Durchlässigkeiten generell gering, müssen aber dennoch ortspezifisch nachgewiesen werden. Auf unserer Exkursion haben wir das Mont Terri Rock Laboratoy besucht in dem zu allen der in Abbildung 1 genannten Eigenschaften intensiv geforscht wird. Mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) beteiligt sich auch Deutschland an diesem Projekt.

Abb. 1: Eigenschaften der wichtigsten geologischen Formationen bei der Endlagerung (BGR, 2007).  

Woraus besteht SNF?

Spent Nuklear Fuel besteht zu über 95% aus UO₂ , generiert in Folge des radioaktiven Zerfalls jedoch eine Kaskade an Radiogenen, wie z.B. ¹³⁵Cs und ²³⁵U. Die Zusammensetzung hängt zum einen von der Ausgangszusammensetzung und zum anderen vom Verbrennungsgrad ab. Dabei gehen die gefährlichsten Umwelteinflüsse von Radiogenen aus, die eine hohe Radiotoxizität besitzen, geochemisch Mobil sind und eine lange Halbwertszeit haben. Die Konzepte zur Endlagerung beinhalten daher vor allem in den ersten 1000 Jahren eine sicherzustellende Isolation des radioaktiven Systems von der Umwelt durch mehrere Barrieren. Die erste Barriere stellen die Kanister dar, die im Konzept der Schweiz aus Karbonstahl bestehen sollen. Die 2m langen Kanister werden zusätzlich von einer Tonmineralmischung (Bentonit) umschlossen. Dieser stellt eine weitere Barriere dar.

Das Mont Terri Rock Laboratory

Das Mont  Terri Rock Laboratory wurde parallel zum Verlauf eines Straßentunnels installiert. Die Lage von Mont Terri im gefalteten Jura und der Verlauf der Hauptstörung ist auf Abbildung 2  gezeigt.

Abb. 2: Lage des Mont Terri Rock Laboratory im gefalteten Jura (aus CROISÉ ET AL., 2004)

Der Opalinuston besteht aus etwa  65% Tonmineralen, 20% Quarz, 10% Kalzit und 5% Feldspat und Pyrit (THURY, 2002). In zahlreichen Versuchsaufbauten mit weiteren Bohrlöchern können hier in-situ Experimente durchgeführt werden. So wurde bei einem angenommen  Porenwasserdruck von 2 MPa das in-situ Spannungsfeld zu σ1  = 6.5 - 2 = 4.5 MPa, σ2 = 5 - 2 = 3 Mpa sowie σ3 = 0.6 – 2 = -1.4 MPa bestimmt (MARTIN & LANYON, 2003).

Weiter wurde das Langzeitverhalten der Porenwasserchemie, sowie die Redoxbedingungen und dessen Einflüsse auf das Korrosionsverhalten der Kanister untersucht. Es zeigte sich, dass der bei der Einlagerung eingeschlossene Sauerstoff rasch verbraucht ist und sich das System aus einer frühen anaeroben Phase in eine langzeitlich stabile anaerobe Phase entwickelt (JOHNSON, 2008). Dabei wird ein Großteil des Sauerstoffes vom im Opalinston enthaltenen Pyrit aufgefangen. Die berechnete maximale Eindringtiefe von etwa 20mm nach 10.000 Jahren ist dabei weitaus geringer als die Wandstärke der eingesetzten Kanister (13-15mm). Während unter aeroben Bedingungen der Sauerstoff als Oxidationsmittel dient, entsteht durch Radiolyse in anaeroben Bedingungen aus Wasser Wasserstoff. Sobald innerhalb des Kanisters oxidative Bedingungen vorherrschen, wird das darin enthaltene vierwertige Uran U(IV) zu U(VI) oxidiert und liegt nach Komplexbildung mit Karbonatliganden in mobiler Form vor. Dies gilt es zu verhindern. CROISE (2004) untersuchte dazu die hydrogeologischen Bedingungen bei Mont Terri: Es findet kein Grundwasserzufluss statt. Ein weiterer Prozessbestimmender Parameter ist die Temperatur. Auf Abbildung 3  ist die Temperaturentwicklung für unterschiedliche Kanisterabstände gegen die Zeit gezeigt. Als mögliche Folgen für die Bentonit-Barriere wurden dabei eine reduzierte Schwellfähigkeit, sowie erhöhte hydraulische Konduktivität und Diffusivität diskutiert (WERSIN, 2007).

Abb. 3: Temperaturprofile als Funktion der Zeit nach JOHNSON (2008).

Abb. 4: Profile des Porendruckes und der Temperatur als Funktion der Zeit aus KULL (2007).

In Folge einer erhöhten Temperatur kann sich außerdem durch Gasbildung und thermische Expansion der Porenwasserdruck erhöhen. Entsprechend würde sich der Mohr-Kreis nach links verschieben und letztlich Störungen als nicht-gewollte Wegsamkeiten generiert werden. Ein Resultat des dazu in Mont Terri durchgeführten Experimentes ist in Abbildung 4  gezeigt. Man erkennt deutlich, dass der Porenwasserdruck infolge einer erhöhten Temperatur zunimmt, jedoch stets auf dem erhöhten Niveau bleibt und nicht plötzlich abfällt, was auf generierte Störungen hinweisen würde. Da aber z.B. das im Opalinuston enthaltene Tonmineral Montmilloronit quellfähig ist, können sich diese Störungen selbst verschließen. In Untersuchungen wurde gezeigt, dass sich Sand/Ton - Mischungen als selbstverschließende Barriere im Mont Terri Rock Laboratory eignen und der Transport entsprechend Diffusionsgesteuert ist (ROTHFUCHS, 2007). Wie Abbildung 1 zu entnehmen besitzt Ton jedoch eine sehr hohe Sorptionsfähigkeit und wirkt diesem dadurch entgegen.