Alles im Fluss: Simulation der Grundwasserströmung in Endlagern mit dem Programm d3f++

06.01.2020

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In Deutschland sollen hochradioaktive Abfälle in tiefen geologischen Formationen endgelagert werden. Das Ziel dabei ist der sichere Einschluss der Abfälle in einem Bereich innerhalb eines Wirtsgesteins oder in einem Bereich, der durch ein Wirtsgestein überdeckt wird. Als Wirtsgesteine kommen Steinsalz, Tongestein oder Kristallingestein (z.B. Granit) in Betracht. Durch den Einschluss sollen die Abfälle über einen Zeitraum von einer Million Jahre von Mensch und Umwelt isoliert bleiben.

Um den Nachweis der sicheren Endlagerung zu erbringen, muss auch der Fall untersucht werden, dass Grundwasser in das Endlager eindringt und dadurch Schadstoffe aus dem Einlagerungsbereich hinausgelangen können.  Wo, wann und in welcher Konzentration können Radionuklide auf diesem Weg in die Biosphäre gelangen?

Entwicklungsgeschichte

Aus diesen Fragen heraus ergab sich Anfang der 1990er Jahre die Notwendigkeit, die Strömung des Grundwassers in der Umgebung eines Endlagers im Steinsalz zu berechnen. Gesucht wurde ein Computerprogramm, das die dichtebeeinflusste Strömung in großräumigen Modellgebieten mit komplizierter hydrogeologischer Struktur über lange Zeiträume berechnet.

Eine Arbeitsgruppe von Forschenden stieß deshalb die Entwicklung des Codes d³f („distributed density-driven flow“) an. Neben der GRS waren dabei folgende Institutionen beteiligt:
•    Gesellschaft für Strahlenforschung (GSF)
•    Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
•    Bundesamt für Strahlenschutz (BfS)
•    mehrere universitäre Institute

Im Anschluss folgte die Entwicklung des Codes r³t („radionuclide, reaction, retardation, and transport“), mit dem sich auf Basis des mit d³f berechneten Strömungsfeldes der Transport von Radionukliden modellieren ließ. Später wurde das Einsatzgebiet auf geklüftete Medien erweitert, so dass mittlerweile auch andere Wirtsgesteine außer Steinsalz betrachtet werden können. Die Programme d³f und r³t wurden schließlich zu dem Code d³f++ zusammengefasst.

Unter der Leitung der GRS arbeiteten zu Beginn fünf Universitäten an der Entwicklung der Codes, heute wird die Weiterentwicklung von GRS und dem Goethe Center for Scientific Computing (G-CSC) der Universität Frankfurt fortgeführt.Äspö SDM, Regionalmodell des Umfeldes des schwedischen Forschungsbergwerkes; blau: von der Ostsee überdeckter Bereich, Seen; grün: Festland

Anwendung

Das Programm d³f++ wurde im regionalen Maßstab angewendet für die Gorlebener Rinne, das US-amerikanische Endlager WIPP, für das schwedische Forschungsbergwerk Äspö (s. Abbildung) und aktuell den möglichen tschechischen Endlagerstandort Čihadlo. Darüber hinaus wurde d³f++ auch bereits außerhalb der Endlagerforschung eingesetzt, um Modelle zur Meerwasserintrusion in Küsten-Aquifere zu erstellen, wie beispielsweise im GRS-Projekt NAWAK.

Weitere Informationen

>> GRS-Bericht 139: d³f - Ein Programmpaket zur Modellierung von Dichteströmungen
>> GRS-Bericht 192: Software package r³t
>> GRS-Bericht 206: Modellrechnungen zur Langzeitsicherheit von Endlagern in Salz- und Granitformationen
>> GRS-Bericht 431: Groundwater Flow at the Prototype Repository - Task 8e of SKB
>> GRS-Bericht 448: Qualification of the code d³f++
>> GRS-Bericht 500: Smart Kd-Concept for Long-term Safety Assessments - Extension towards more Complex Applications