IONKA: Untersuchungen von Korrosionsprozessen bei der Endlagerung
Welche Wechselwirkungen auftreten können, etwa wenn ein Behälter beschädigt ist, korrodiert und die Lösung mit möglicherweise ebenfalls korrodierten Abfällen in Kontakt kommt, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Verbundvorhaben IONKA (kurz für Untersuchung des Einflusses ionisierender Strahlung auf gekoppelte Korrosionsprozesse an der Grenzoberfläche zwischen Stahl und verglastem Abfall durch Kombination innovativer ex-situ und in-situ-Echtzeit-Experimente).
Warum spielt die Glaskorrosion bei der Endlagerung eine Rolle?
Borosilikatglas ist anfällig für die Korrosion unter endlagerrelevanten Bedingungen. Dieses Glas wird bei der Konditionierung hochradioaktiver flüssiger Abfälle eingesetzt, die bei der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente entstehen. Dabei dient das Borosilikatglas dazu, die radioaktiven Bestandteile im flüssigen Abfall dauerhaft zu immobilisieren und in einer glasartigen Matrix einzuschließen. In Deutschland werden nach Angaben der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) bis zum Jahr 2080 rund 3.800 Glaskokillen mit derartigen Abfällen angefallen sein.
Bei der Glaskorrosion können Radionuklide freigesetzt werden, die in die Tiefenwässer gelangen oder in neu entstehenden mineralischen Ablagerungen gebunden werden.
Frühere Untersuchungen konzentrierten sich vor allem auf die Wechselwirkungen zwischen Glas und Lösung. In den letzten Jahren zeigte sich jedoch, dass auch die Korrosion des Behälterstahls eine wesentliche Rolle spielt. Beide Prozesse beeinflussen sich gegenseitig, insbesondere in engen Spalten zwischen Glas und Metall. An dieser Grenzfläche laufen komplexe chemische Reaktionen ab, die die Korrosionsgeschwindigkeit des Glases verändern und damit die Freisetzung von Radionukliden beeinflussen. Diese Zusammenhänge sind wichtig für die Bewertung der Langzeitsicherheit potenzieller Endlager.
Korrosionsexperimente: ex-situ und in-situ
In IONKA sollen diese Korrosionsprozesse unter endlagerrelevanten Bedingungen mittels sogenannter Ramanspektroskopie sichtbar gemacht und im Anschluss analysiert werden. Dafür werden zwei parallele Versuchsansätze aufgebaut, bestehend aus jeweils einem glaskokillenähnlichen Glas, dem Behälterstahl und den in einem möglichen Endlager anzutreffenden Lösungen. Die Versuchsansätze unterscheiden sich lediglich durch das zusätzliche Vorhandensein einer Strahlenquelle bei einer der Kombinationen, um den Einfluss der ionisierenden Strahlung zu erfassen. Die Bestrahlung erfolgt in den in-situ-Ramanuntersuchungen. Die ex-situ-Versuche ohne Strahlenquelle und ohne Raman dienen dem Vergleich der Ergebnisse. Über lange Zeiträume wird verfolgt, wie sich die Korrosionen entwickeln und wie sie miteinander interagieren.
„Konkret sollen innovative operando-Fluidzellen-Raman-Experimente unter Endlagerungsbedingungen durchgeführt werden. Die Fluidzellen-Ramanspektroskopie ermöglicht die Untersuchung einer sich bewegenden Glas-Wasser-Reaktionsfront in operando mit einer Auflösung von wenigen Mikrometern. Diese Ergebnisse werden wir mit den zeitgleichen ex-situ-Experimenten ohne Bestrahlung verglichen. “
Heike Mönig,Projektleiterin bei der GRS
Die Ergebnisse sollen helfen, die relevanten Korrosionsmechanismen besser zu verstehen und die sicherheitstechnischen Bewertungen zukünftiger Endlagerkonzepte weiter zu verbessern.
Projekt-Highlights Endlagerung
Egal, ob ein Endlager für hochradioaktive Abfälle in Deutschland im Kristallin, im Steinsalz oder im Tongestein umgesetzt werden wird, für das jeweilige Wirtsgestein muss ein geeignetes Endlagerkonzept entwickelt werden. Ein wesentlicher Bestandteil eines solchen Endlagerkonzeptes ist der Endlagerbehälter. Bei der Entwicklung von Endlagerbehältern müssen unter anderem Kriterien wie Handhabbarkeit, Einschlussvermögen und Abschirmung beachtet werden.
Hochradioaktive Abfälle geben Energie in Form von Wärme ab. Bei der Planung eines sicheren Endlagers spielt deshalb auch das Thema Wärme eine entscheidende Rolle. Die Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) hat nun festgelegt, welche Temperaturen die eingelagerten Behälter an ihrer Oberfläche maximal erreichen dürfen. Die Temperaturen sind auch auf der Basis von Forschungsergebnissen der GRS bestimmt worden. Die Forscherinnen und Forscher der GRS haben hierfür eine neue Methodik entwickelt, mit der sich Aussagen über die Temperaturverträglichkeit treffen lassen.
Im Forschungsprojekt ANSICHT wurde 2014 mithilfe von generischen geologischen Standortmodellen und unter Berücksichtigung der gesetzlichen Anforderungen ein Methodenentwurf für den Sicherheitsnachweis eines deutschen Endlagers für hochradioaktive Abfälle im Tongestein erarbeitet. Dieser konnte seinerzeit jedoch noch nicht vollständig erprobt werden. Daher wurden im nun abgeschlossenen Nachfolgeprojekt ANSICHT-II darauf aufbauend langzeitsicherheitsanalytische Rechnungen zur Prüfung des sicheren Einschlusses von Radionukliden im einschlusswirksamen Gebirgsbereich (ewG) im Tongestein für die beiden in ANSICHT untersuchten Endlagerstandortmodelle durchgeführt.