Forschung und Entwicklung zum Zweiphasenfluss in einem salinaren Endlager (ZIESEL)

Ob ein Endlager für radioaktive Abfälle über lange Zeit sicher ist, wird von unterschiedlichsten Faktoren beeinflusst. Für Endlagerforscher ist vor allem interessant, ob und wie radioaktive Stoffe in die Umwelt gelangen können. Dies kann auf unterschiedlichen Wegen geschehen. Beispielsweise können sich die radioaktiven Stoffe in Wasser oder Gasen lösen und an die Erdoberfläche gelangen. Gase entstehen z.B. bei der Korrosion von Abfallbehältern oder beim Abbau organischer Stoffe (z. B. aus der Medizin). Wasser kann als Millionen Jahre alter Einschluss im Gestein vorhanden sein. Diese Lösungen sind in ihrer Menge begrenzt und meist unproblematisch. Stammt das Wasser nicht aus der Gesteinsformation, sondern fließt von außerhalb zu ‒ z.B. aus einem Grundwasserleiter ‒, kann es allerdings Probleme verursachen.

GRS betrachtet Transport von Radionukliden in Endlagern

Ziel der neuen Studie ist es, die Berechnungswerkzeuge zur Bewertung der Sicherheit von Endlagern weiterzuentwickeln. Die Studie wird vom Bundesumweltministerium gefördert.

Mit dem Berechnungsmodell für das  Endlager berechnen die Experten das Transportverhalten der radioaktiven Stoffe in Wasser und Gas mittels des sogenannten Zweiphasenflusses. Als Zweiphasenfluss wird die gleichzeitige Bewegung zweier nicht-mischbarer Fluide – z.B. Wasser und Gas – z.B. in einer Gesteinspore bezeichnet. Die GRS setzt zur Berechnung dieses komplizierten Prozesses das Programm TOUGH2 (Transport of Unsaturated Groundwater and Heat) ein. Das Programm wurde an den US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratories entwickelt. Mit ihm lässt sich der Transport von Radionukliden durch Gestein in Lösungen und Gasen modellieren. TOUGH2 wird neben der Endlagerung auch in anderen Arbeitsfeldern genutzt, wie z.B. der Erdöl- oder Erdgasindustrie.

Die GRS nutzt und optimiert TOUGH2 seit mehr als zwanzig Jahren. Aktuell setzt sie das Programm unter anderem auch zur Berechnung von thermohydraulischen, mechanischen und chemischen Prozessen – kurz THMC-Prozesse – in der Übergangsphase eines Endlagers ein. Unter der Übergangsphase verstehen Forscher die ersten 10.000 Jahre nach der Einlagerung der radioaktiven Abfälle. In dieser Zeit sind Gasbildungsprozesse besonders relevant.

Test an realem Endlagerstandort

Trotz der langjährigen Erfahrung mit Zweiphasenflussmodellen werden sie nur selten eingesetzt. Für zukünftige Analysen ‒ z. B. im Standortauswahlprozess ‒ ist es notwendig, diesen Ansatz auch am Beispiel eines realen Standortes zu testen. Die GRS nutzt deshalb für ihr Vorhaben die Daten des Endlagers für radioaktive Abfälle in Morsleben (ERAM), um den Code zu testen. In dem ehemaligen Kali- und Salzbergwerk lagern derzeit etwa 36.754 Kubikmeter schwach- und mittelradioaktive Abfälle.