Endlagerforschung: Wie Bau und Betrieb eines Endlagers mit der Langzeitsicherheit zusammenhängen

11.10.2021
© Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH
Keine Frage, ein Endlager für hochradioaktive Abfälle muss sicher sein. Das gilt sowohl für die Phase, während derer das Endlager gebaut und betrieben wird, als auch für die Phase danach, wenn die Abfälle eingeschlossen und sämtliche Strecken und Schächte verschlossen sind. Wie diese beiden Phasen miteinander zusammenhängen und sich gegenseitig beeinflussen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GRS und der BGE Technology GmbH in einem gemeinsamen Forschungsprojekt untersucht.

Welche Voraussetzungen muss ein sicheres Endlager erfüllen?

Bild 1: Unterschiedliche Phasen eines Endlagers im Sicherheitsnachweis Möchte man ein tiefengeologisches Endlager für hochradioaktive Abfälle sicher konzipieren, errichten, betreiben und verschließen, muss man eine Vielzahl komplexer und einander beeinflussender Aspekte berücksichtigen. Doch welche grundlegenden Voraussetzungen muss ein Endlager erfüllen, damit es als sicher gelten kann? Um diese Frage zu beantworten, hilft es sich klarzumachen, welche Phasen ein Endlager durchläuft. In der Forschung unterscheidet man gemeinhin die Vorbetriebs-, die Betriebs- und die Nachverschlussphase (s. Bild 1). In der Betriebsphase kommen dem Schutz des Betriebspersonals, der Bevölkerung und der Umwelt eine Schlüsselrolle zu. In der Nachverschlussphase ist dann vor allem die Langzeitsicherheit entscheidend; dafür sollen die Abfälle für eine Million Jahre sicher von der Biosphäre isoliert werden. Um sowohl die Betriebssicherheit als auch die Langzeitsicherheit zu gewährleisten, muss man für ein Endlager eine Reihe an Sicherheitsnachweisen vorlegen, bevor es genehmigt wird. 

Diese Sicherheitsnachweise sind auf die jeweiligen Phasen zugeschnitten, wobei jeweils unterschiedliche Sicherheitsaspekte eine Rolle spielen bzw. anders gewichtet werden. So sind beispielsweise betriebliche Besonderheiten in der Nachverschlussphase irrelevant– schließlich kann es in den dann verschlossenen Strecken und Schächten des Endlagers nicht mehr zu Arbeitsunfällen kommen.

Fokus der Sicherheitsforschung in jüngster Zeit vermehrt auf Bau und Betrieb gerichtet

In der Vergangenheit lag der Fokus bei der Entwicklung von Strategien, mit denen sich die Sicherheit eines Endlagers nachweisen lässt, sehr stark auf der Langzeitsicherheit, also auf der Nachverschlussphase. Dementsprechend existieren zwar schon sehr weit fortgeschrittene Sicherheitskonzepte für die Nachverschlussphase (beispielsweise dieses hier), aber noch keine umfassenden Konzepte für die Betriebsphase. Dieser Fokus auf die Langzeitsicherheit ist für ein Endlager, das Sicherheit für eine Million Jahre gewährleisten soll, erst einmal naheliegend. Allerdings wird dabei zum einen der Tatsache wenig Beachtung geschenkt, dass ein Endlager ohne sicheren Bau und Betrieb logischerweise nicht realisiert werden kann. Darüber hinaus haben Bau und Betrieb einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Langzeitsicherheit. Zum anderen haben viele Anforderungen für den Nachweis der Langzeitsicherheit wiederum Auswirkungen auf das technische Endlagerkonzept und auf die Sicherheit beim Bau und Betrieb eines Endlagers. Betriebs- und Nachverschlussphase beeinflussen sich also gegenseitig – gerade wenn es um die Sicherheit geht.

In der Endlagersicherheitsforschung hat man sich in den letzten Jahren daher verstärkt auf die Phase des Baues und Betriebes konzentriert – sowohl in internationalen Forschungsprojekten als auch hier in Deutschland. Bei solchen wissenschaftlichen Fragestellungen ist auch der jeweilige rechtliche Rahmen von Interesse. Hierzulande sind ganz unterschiedliche Rechtsrahmen relevant, deren Zusammenspiel allein eine große Herausforderung darstellt. So definiert neben dem Atomgesetz, dem Strahlenschutzgesetz und der Strahlenschutzverordnung beispielsweise auch das Bergrecht grundlegende Vorgaben für Planung, Bau und Betrieb eines Endlagers. Dadurch werden praktische Vorgaben wie eine ausreichende Bewetterung, also technische Maßnahmen zur Versorgung von Bergwerken mit frischer Luft, oder mindestens zwei getrennte Zugänge zum Bergwerk definiert, die es allesamt zu berücksichtigen gilt.

Sicherheit kann durch Einwirkungen von innen und von außen beeinträchtigt werden

Mit der Frage, wie der sichere Bau und Betrieb eines Endlagers und die Langzeitsicherheit voneinander abhängen und wie diese Abhängigkeiten letztlich bewertet werden können, hat sich vor Kurzem ein Forscherteam der GRS gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der BGE Technology GmbH auseinandergesetzt. Für das Forschungsprojekt BASEL entwickelten sie eine Methode, mit der diese Abhängigkeiten in den obligatorischen Sicherheitsnachweisen dargestellt und analysiert werden können. Als Ausgangspunkt ihrer Überlegungen dienten Fragestellungen wie:
  • Welche Anforderungen ergeben sich aus der Gewährleistung der Langzeitsicherheit an die Entwicklung des Endlagersystems während Bau und Betrieb eines Endlagers?
  • Welche potenziellen Einwirkungen auf den Endlagerbetrieb gibt es und welche grundlegenden Maßnahmen zur Vermeidung/Beherrschung dieser Einwirkungen lassen sich anführen, um Gefährdungen der Betriebssicherheit und Störungen des Betriebsablaufs (z. B. Behälterabsturz oder Brand) zu reduzieren?
  • Welche Aspekte der Betriebssicherheit und Maßnahmen für deren Gewährleistung haben Auswirkungen auf das Langzeitverhalten des Endlagersystems?

Zur Beantwortung dieser Fragen identifizierten die Forschenden sogenannte übergreifende Einwirkungen, also Einwirkungen, die die Anlage schädigen können und die unabhängig von ihrem Betriebszustand auftreten können. Solche übergreifenden Einwirkungen sind keine neue Erfindung, sondern sind aus dem kerntechnischen Regelwerk bekannt. Man unterteilt sie in übergreifende Einwirkungen von außen (EVA) und übergreifende Einwirkungen von innen (EVI). 

Klassische EVA sind einerseits Naturereignisse, wie Erdbeben oder anlagenexterne Überflutung, andererseits zivilisatorische Einwirkungen, wie Explosionsdruckwelle oder Flugzeugabsturz, die ihren Ursprung außerhalb des Anlagengeländes haben. Die Ursachen von EVI treten hingegen auf dem Anlagengelände innerhalb oder außerhalb von Gebäuden auf; darunter fallen beispielsweise Brände, Explosionen oder der Absturz schwerer Lasten.

EVA, EVI und FEP

EVA sind in Deutschland im kerntechnischen Regelwerk festgelegt; die für Endlager relevanten EVA konnten für das Forschungsprojekt also übernommen werden. Bei EVI war das schwieriger. Zur Identifizierung von EVI für ein Endlager bedienten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eines Werkzeugs, das sich bereits in der Langzeitsicherheitsforschung zu Endlagern als nützlich erwiesen hat: Mit der Zusammenstellung von FEP lassen sich komplexe Inhalte dokumentieren und mögliche Ereignisabläufe beschreiben. 

Die Abkürzung FEP steht für features, events and processes, also Merkmale, Ereignisse und Prozesse. Solche Kataloge basieren auf der international etablierten FEP-Datenbank der Nuclear Energy Association und liegen für einige in Deutschland diskutierte Endlagerkonzepte bereits vor. Beispiele für solche FEP sind unter anderem Metallkorrosion, Wärmefluss, radioaktiver Zerfall, Spannungsänderungen, mikrobielle Prozesse im Grubengebäude, Lösungszutritt ins Grubengebäude oder Sorption.

Dieses Konzept der FEP haben die Forschenden im Forschungsprojekt BASEL für die Beschreibung möglicher Ereignisabläufe beim Bau und Betrieb eines Endlagers übernommen. Dazu analysierten sie systematisch alle Komponenten eines Endlagerbergwerks und untersuchten mögliche Prozesse auf diese Komponenten dahingehend, ob sie potenzielle EVI darstellen.

Einwirkungen durch Maßnahmen beherrschbar machen

Bild 2. In Untertagebauwerken werden Wände und Decke mit Ankern und Metallgeflechten verstärkt  (Foto: Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH)Abschließend erarbeiteten sie organisatorische und technische Maßnahmen, die potenzielle EVI in einem Endlagerbergwerk verhindern oder ihre Auswirkungen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit beherrschbar machen bzw. abmildern sollen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler griffen dabei einerseits auf ihr eigenes Expertenwissen zurück, andererseits stützten sie sich auf den Fundus an Erfahrungen, der über die Jahre aus den Endlagerbergwerken Asse, Morsleben und Konrad sowie der Errichtung des früheren Erkundungsbergwerks Gorleben in Deutschland zusammengetragen wurde.

In Deutschland dürfen Maßnahmen, die den sicheren Betrieb des Endlagers gewährleisten sollen, die Langzeitsicherheit des Endlagersystems nicht erheblich und nicht mehr als unvermeidlich beeinträchtigen. So dürfen beispielsweise die Materialien, die zur Umsetzung von Präventionsmaßnahmen (Ausbau der Kontur, Anker etc., s. Bild 2) notwendig sind, nicht in unzulässiger Weise zu einer Gasbildung (z. B. durch Korrosion von Metallen) führen. Wenn sich der Gasdruck zu schnell aufbaut, könnte er beispielsweise das Gebirge, in dem die radioaktiven Abfälle eingelagert sind, negativ beeinflussen. 

In dem Forschungsprojekt konnte auf der Grundlage der systematischen Zusammenstellung von EVI und der Ableitung zugehöriger Maßnahmen eine umfassende Analyse der Auswirkungen von EVI auf die Langzeitsicherheit durchgeführt werden, die es in dieser Vollständigkeit bisher in Deutschland nicht gegeben hat.

Bei weiterführenden Arbeiten sollte ein konkreteres Konzept festgelegt werden

Die Überlegungen und daraus entwickelten Ergebnisse wurden dadurch eingeschränkt, dass in BASEL recht allgemeine Endlagerkonzepte betrachtet wurden. Der Vorteil dabei ist, dass sich die Ergebnisse als Ausgangspunkt für die Diskussion für eine Vielzahl möglicher Endlagerkonzepte anwenden lassen und daher auch in den nächsten Schritten des Standortauswahlverfahrens eingesetzt werden können. Darauf basierend muss naturgemäß aber ein „richtiges“ Sicherheitskonzept auf einen bestimmten Standort zugeschnitten werden. 

Das Forscherteam konnte beim derzeitigen Kenntnisstand nicht über einen gewissen Detaillierungsgrad hinausgehen. Es empfiehlt daher, bei fortführenden Arbeiten vorab ein konkretes Konzept festzulegen. Dadurch könnten die FEP und daraus abgeleitet die EVI detaillierter erarbeitet und die Auswirkungen gründlicher durchdacht werden. Es wird außerdem angeregt die FEP-Datenbank, wie sie für den Langzeitsicherheitsnachweis bereits entwickelt wurde, dahingehend anzupassen, dass sie auch die Betriebsphase abdeckt. 

Das Projekt wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert; der Synthesebericht ist in der Publikationsdatenbank der GRS veröffentlicht.

Projektinformationen

Titel: "Bewertung der Abhängigkeiten zwischen dem sicheren Bau und Betrieb eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle und der Langzeitsicherheit"
Zeitraum: 04/2016–09/2020
Laufzeit: 54 Monate
Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie