TOUGH2-GRS: Bewegung von Grundwasser, Gasen und Radionukliden

Für die Suche und Konzeption von Endlagern ist es wichtig, die Geologie eines möglichen Standorts und die dort im Gestein ablaufenden Prozesse gut zu verstehen. In Deutschland kommen für die Endlagerung die drei Wirtsgesteine Salz, Ton und kristalline Gesteine (z. B. Granit) in Frage. Der tiefe Untergrund erweckt den Anschein, starr und inaktiv zu sein. Erst bei genauerer Betrachtung zeigen sich die vielfältigen chemischen, mechanischen und hydraulischen Abläufe, die unter der Erde eine Rolle spielen.

Wie kommen Wasser und Gas ins Endlager?

Wasser aus Regen und Gewässern dringt bis in tiefe Gesteinsschichten. In intakten Salzvorkommen ist Grundwasser in der Regel nicht zu finden, da Salz wasserundurchlässig ist. Anders verhält es sich mit Tonstein. Hier ist Wasser Bestandteil des Wirtsgesteins und natürlicherweise in den Gesteinsporen zu finden. Tonstein kann gelöste Radionuklide dennoch wirksam zurückhalten, weil er sehr dicht ist und rückhaltende, chemische Eigenschaften besitzt. Im Code TOUGH2-GRS werden auch diese Rückhaltevorgänge abgebildet.

Gase können bei der Korrosion von Abfallbehältern oder beim Abbau organischer Stoffe auftreten, die oft Bestandteil mittel- und schwachradioaktiver Abfälle sind. Die Gasbildung ist dabei in den ersten 10.000 Jahren nach der Einlagerung am stärksten. TOUGH2-GRS ist in der Lage die Wirkung der im Endlager entstehenden Gase zu prognostizieren. Diese Prognose ist für die Bewertung der Sicherheit eines Endlagers wichtig, da durch Gase entstehende hohe Drücke innerhalb des Endlagers dessen Rückhaltefunktion beeinträchtigen können.

Gase und Grundwasser können auch gemeinsam in den Gesteinsporen fließen; ein Vorgang, den Wissenschaftler als Zweiphasenfluss bezeichnen und der ebenfalls in TOUGH2-GRS modelliert ist. Damit lässt sich zum Beispiel untersuchen, ob schadstoffbelastetes Wasser von den entstehenden Gasen verdrängt wird und damit schneller in die Biosphäre gelangt.

Anwendung von TOUGH2-GRS

Ein klassisches Einsatzgebiet von TOUGH2-GRS sind Sicherheitsanalysen im Bereich der Endlagerung. Die Ergebnisse der Simulation aus TOUGH2-GRS können für den Nachweis der Langzeitsicherheit im Standortauswahlverfahren genutzt werden. Die GRS hat TOUGH2-GRS bereits in verschiedenen Projekten eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt ZIESEL (Zweiphasenfluss in einem salinaren Endlager am Beispiel des ERAM).

Entwicklungsgeschichte des Simulationsprogramms

Der Ursprungscode TOUGH2 („Transport Of Unsaturated Groundwater and Heat”) wurde an den Lawrence Berkeley National Laboratories in den USA entwickelt. Dort wird der Code neben der Sicherheitsbewertung für Endlager auch in anderen Arbeitsfeldern genutzt, wie z.B. der Erdöl- oder Erdgasindustrie.

Die GRS nutzt und erweitert den Code seit 1991 für Prozess- und Langzeitsicherheitsanalysen für Endlager. Im Laufe der Jahre hat die GRS das Programm um verschiedene Komponenten erweitert. Der von der GRS weiterentwickelte TOUGH2-Quellcode wird unter dem Namen TOUGH2-GRS geführt. Die neu entwickelte Version TOUGH2-MP-GRS kann auf mehreren Prozessoren (Rechner-Cluster) ausgeführt werden, um große Modellgebiete schneller zu berechnen.

Technische Details

• Ursprungscode: TOUGH2, TOUGH2-MP des Lawrence Berkeley National Laboratory, California, USA
• Verwendung mit EOS-Modul: EOS7
• Weiterentwicklungen der GRS: Bei TOUGH2-GRS, TOUGH2-MP-GRS
• Anwendungsgebiet: Laminare Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in porösen Medien, Transport von Radionukliden und Wärme
• Programmiersprache: Fortran

Erweiterungen durch GRS:

• Kompaktion von Salzgrus in konvergierenden Hohlräumen im Steinsalz
• Korrosion von Abdichtungen durch Fluide
• Gasbildung aufgrund von Metallkorrosion mit gekoppeltem Wasserverbrauch
• zeitabhängige Änderungen der Permeabilität
• Gastransport durch Öffnung von Mikrorissen
• Änderungen der Eigenschaften für die Hauptgaskomponente
• Druckbegrenzung durch Gasinfiltration
• Zerfall, Advektion, Diffusion, Anionen-Ausschluss für Radionuklidketten
• neue funktionale Abhängigkeiten der Permeabilität und Kapillardrücke
•  verbesserte Geschwindigkeit der Gleichungslöser
• Plausibilitätskontrollen für Eingaben