Radionuklide in Bewegung? GRS betrachtet die Rückhaltung von radioaktiven Stoffen in Gesteinen

18.02.2013

Über eine Million Jahre müssen Endlager radioaktive Abfälle nachweislich sicher von der Umwelt fernhalten. Als Teil des Sicherheitsnachweises ‒ aber auch, um besser zu verstehen, wie sich ein Endlager über diesen Zeitraum verhält ‒ werden sogenannte Langzeitsicherheitsanalysen durchgeführt. Die Forscher greifen dazu u.a. auf komplexe Rechenprogramme zurück.

Projekt ESTRAL: Sorption verstehen und prognostizieren
Die GRS erweitert eines dieser Rechenprogramme derzeit gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Mit dem Projekt ESTRAL („Einbindung von Sorptionsprozessen in Transportprogramme für die Langzeitsicherheitsanalyse“) wollen die beiden Institutionen den Prozess der Sorption realitätsnäher als bisher in dem Rechenprogramm abbilden.

Versuchsaufbau für eines der durch geführten ExperimenteUnter Sorption versteht man u.a. die Anlagerung bestimmter Stoffe an Oberflächen. Im Bereich von Endlagern können beispielsweise Oberflächen von Gesteinsmineralen im Wasser gelöste radioaktive Stoffe sorbieren. Der Prozess hängt dabei stark von den chemischen Bedingungen im Grundwasser ab. Die Sorption ist im Hinblick auf die Langzeitsicherheit interessant, weil sie den Transport der radioaktiven Stoffe verlangsamen und damit auch deren Konzentration verringern kann. Im Projekt ESTRAL werden dabei Mineralgemische betrachtet, die typischerweise in Deutschland in Gesteinsschichten über möglichen Wirtsgesteinen  (Salz, Ton) für Endlager vorkommen.

Die einzelnen Schritte
Für das Projekt haben die Forscher in einem ersten Schritt die thermodynamischen Daten zusammengestellt, die für die Berechnung der Sorption wichtig sind. Da nicht für alle relevanten Minerale Daten vorlagen, wurden fehlende Daten durch umfangreiche Experimente im Geowissenschaftlichen Labor der GRS erhoben. In einem weiteren Schritt ermittelten die Forscher statistisch die Bandbreiten der Sorption für die möglichen Variationen der chemischen Verhältnisse. Sie identifizierten dabei die für die Sorption wichtigsten Einflussfaktoren. Hierzu zählen neben dem pH-Wert u.a. die Konzentrationen von Kalzium, anorganischem Kohlenstoff und den radioaktiven Stoffen selbst.

Abschließend entwickelten sie ein Modell, das die Sorption in Abhängigkeit von den relevanten Einflussfaktoren berücksichtigt. Dieses Modell wurde dann in ein Rechenprogramm für die Langzeitsicherheitsanalyse implementiert.

Erste Ergebnisse und Weiterentwicklung
Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend. Sie zeigen, dass die Methode in der Lage ist, chemische Veränderungen und deren Einfluss auf die Sorption von radioaktiven Stoffen über lange Zeiträume in sehr großen geologischen Gebieten zu beschreiben. Derzeit werden weitere Testrechnungen durchgeführt und mit den Ergebnissen anderer Rechenprogramme und Experimente verglichen. Anschließend soll der neue Rechencode weiterentwickelt und optimiert werden. Seine Anwendbarkeit soll auch für andere Gesteine und Formationen gezeigt werden.

Weitere Informationen
GRS-Bericht 297: Realistic Integration of Sorption Processes in Transport Codes for Long-Term Safety Assessments
GRS-Bericht 231: Modelling of Field-Scale Pollutant Transport
Informationen zu den Sorptionsprojekten der OECD/NEA 
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)