Endlager in Tongestein: GRS entwickelt Modell zur Prognose von Gastransport

24.06.2013

Neben Salzgestein und Granit ist Tongestein eine der drei Gesteinsarten, die Forscher derzeit für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle diskutieren. Tongestein ist als Wirtsgestein interessant, da er über gute Rückhalteeigenschaften verfügt und Radionuklide binden kann. Diese Bindung – von Fachleuten auch als Sorption bezeichnet – ist auf die elektrisch geladenen Oberflächen der Tonminerale zurückzuführen. Länder wie die Schweiz oder Frankreich planen aktuell Endlager im Tonstein. Auch in Deutschland gibt es Tonformationen, die für ein Endlager in Frage kommen könnten.

EU-Projekt FORGE: Wie verhalten sich Gase im Endlager?
Forscher untersuchen in Mont Terri Fliesswege von Gas durch Opalinuston. Im Bild ist zu sehen, wie ein Ingenieur Messinstrumente testet, die ein Techniker soeben im Mikrotunnel installiert hat. (Bild: Pixsil)Die GRS hat für das EU-Projekt FORGE (Fate of Repository Gases) das Verhalten von Gasen in Tonstein-Endlagern untersucht. Gase entstehen beispielsweise bei der Korrosion von Abfallbehältern oder beim Abbau organischer Stoffe, die oft Bestandteil mittel- und schwachradioaktiver Abfälle (z.B. aus der Medizin) sind.

Bekannt ist, dass sich die Gase unterschiedlichste Wege aus dem Endlager suchen. Ein relativ großer Teil von ihnen wird in dem Wasser gelöst, das in den Poren des Tonsteins und anderer Materialien vorliegt. Dabei löst sich das Gas im Wasser nach demselben Prinzip wie Kohlendioxid in Mineralwasser. In gelöster Form kann das Gas dann durch die sogenannte Diffusion aus dem Endlager entweichen. Diffusion beschreibt die zufällige Bewegung der im Wasser gelösten Moleküle.

Aufgabe der GRS war es, Modelle zu entwickeln, mit denen sich der Transport der Gase im Endlager prognostizieren lässt. Im Schweizer Felslabor Mont Terri hat die Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) langjährige Versuche zum Gastransport im Tongestein durchgeführt. Die Forscher der GRS haben im Projekt FORGE einige dieser Experimente ausgewertet und interpretiert. Sie wollten wissen, mit welchen Modellen man die experimentellen Beobachtungen reproduzieren kann und ob sich dadurch das Verständnis der Gasströmung verbessern lässt.

Lässt sich das Verhalten von Gas prognostizieren?
Ammonit im Opalinuston, der durch das Tongestein über 180 Millionen Jahre vor äußeren Einflüssen geschützt und erhalten wurde (Bild: Comet Photoshopping)Mit den Modellen konnten die Forscher zeigen, dass das Gas durch den Tonstein plötzlich zu fließen beginnt, sobald der Gasdruck den Gebirgsdruck überwindet. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf eine mechanische Öffnung von Rissen. Es gelangte allerdings kein Wasser durch diese Risse – ein Phänomen, das sich nach Ansicht der Forscher nur durch sehr kleine Rissöffnungen plausibel erklären lässt.

Die Untersuchungen der GRS zeigen jedoch auch, dass die rissgesteuerte Gasströmung im Gebirge ein komplexer Vorgang ist, der sich noch nicht in allen Aspekten prognostizieren lässt. Eine Möglichkeit für die Auslegung eines Endlagers in Tongestein könnte es deshalb sein, die Gasdrücke möglichst niedrig zu halten, um Risse im Wirtsgestein erst gar nicht entstehen zu lassen. Dies wäre zum Beispiel der Fall, wenn das Gas kontrolliert entlang der technischen Bauwerke entweichen könnte. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, die Gasbildung insgesamt zu verlangsamen (z.B. durch die Verwendung bestimmter Abfallbehälter oder Konditionierungsarten).

Die Untersuchungsergebnisse der GRS können im Bericht Modelling Gas and Water Flow through Dilating Pathways in Opalinus Clay - The HG-C and HG-D Experiments nachgelesen werden.

Weitere Informationen
GRS-Bericht 306: Modelling Gas and Water Flow through Dilating Pathways in Opalinus Clay - The HG-C and HG-D Experiments
Informationen zum FORGE-Projekt