Nachgebohrt

22.06.2016

Für die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle wird in Deutschland und einer Vielzahl anderer Länder auf eine Endlagerung in tiefen geologischen Formationen gesetzt. Die unter anderem in Deutschland vorrangig verfolgte Vorgehensweise sieht vor, in einem der dafür geeigneten Wirtgesteine – dies sind bestimmte Ton-, Salz- oder Kristallingesteine – ein Endlagerbergewerk zu errichten. Die Abfälle sollen dann in den Strecken des Bergwerks oder in von den Strecken senkrecht nach unten getriebenen Bohrlöchern eingelagert werden. Die Strecken des Bergwerks werden dabei, je nach Wirtgestein, in einer Tiefe von 300 bis 1 500 Metern aufgefahren.

Daneben wird in einigen Ländern seit vielen Jahren auch ein Ansatz diskutiert, der ebenfalls auf eine Endlagerung in tiefen geologischen Formationen abzielt: die Endlagerung in tiefen Bohrlöchern, die direkt von der Erdoberfläche aus in die Tiefe führen. Im Auftrag der „Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe“ hat die GRS in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Geoforschungszentrum Potsdam, der International Nuclear Safety Engineering GmbH und dem Ingenieurbüro Piewak & Partner die Machbarkeit dieser Form der Endlagerung untersucht und offene technische und wissenschaftliche Fragestellungen ermittelt.
 

Endlagerung in tiefen Bohrlöchern

Im Prinzip sieht diese Endlager-Variante vor, dass Bohrlöcher bis in eine Tiefe von bis zu 5 000 Metern getrieben werden. Damit sich diese nicht direkt wieder unter dem Druck des umgebenden Gesteins (dem sog. Gebirgsdruck) verschließen, müssen in die Bohrlöcher Rohre aus Metall einzementiert werden. Die radioaktiven Abfälle 

werden anschließend in speziell angefertigten Behältern in den Rohren bis zu der vorgesehenen Einlagerungstiefe herabgelassen. Zusätzlich wird in einen Hohlraum zwischen den Behältern und der Innenwand der Rohre eine wässrige Lösung – fachsprachlich auch als Fluid bezeichnet – eingebracht. Der durch die in den Rohren stehende Fluidsäule entstehende Druck wirkt dann von innen gegen den von außen auf den Rohren lastenden Gebirgsdruck, so dass die Rohre selbst nur die Differenz zwischen diesen beiden Drücken ausgleichen müssen. Ist der Einlagerungsbereich eines Bohrlochs mit den Abfällen gefüllt, muss es schließlich bis zur Erdoberfläche hin sicher verschlossen werden.

Dass diese Methode bereits seit geraumer Zeit immer wieder diskutiert wird, liegt vor allem daran, dass deren Befürworter einen Sicherheitsgewinn gegenüber der Endlagerung in einem Bergwerk für möglich halten. Dieser könne neben der größeren Tiefe auch dadurch erzielt werden, dass je nach Standort über dem den Einlagerungsbereich umgebenden Wirtsgestein (z. B. Granit) noch weitere geologische Schichten in größeren Tiefen (z. B. Ton oder Salz) liegen, die ebenfalls als Barrieren zwischen den radioaktiven Abfällen und der Biosphäre wirken. Teilweise wird auch angeführt, dass die größere Tiefe einen gezielten Zugriff auf die Abfälle deutlich erschweren könne, was die Gefahr einer späteren Proliferation der radioaktiven Stoffe verringere. Schließlich wird auch mit einem möglicherweise geringeren zeitlichen und finanziellen Aufwand gegenüber der Errichtung eines Endlagerbergwerks argumentiert.
 

Generisches Sicherheitskonzept

Für eine unterstellte Endlagerung hochradioaktiver Abfälle in tiefen Bohrlöchern in Deutschland wurde in der Studie zunächst ein vereinfachtes, generisches Sicherheitskonzept entwickelt. Dieses bildete wiederum die Grundlage für die nachfolgenden Untersuchungen zu den erforderlichen technischen Maßnahmen und deren Machbarkeit.

An konkreten Vorgaben fordert das vereinfachte Sicherheitskonzept, dass

  • die Einlagerungsbereiche tiefer als 1 500 Meter liegen sollten, um die vorgenannten Vorteile erreichen zu können, und
  • der Standort aus demselben Grund so gewählt sein sollte, dass über dem Einlagerungsbereich noch mehrere barrierewirksame Schichten vorhanden sind.

Der Einlagerungsbereich kann grundsätzlich in allen in Betracht kommenden Wirtsgesteinen errichtet werden. Nach heutigem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass in Deutschland mehrere Standorte zu finden sind, die diese Anforderungen erfüllen könnten.
 

Technisches Konzept

Abfälle. Bei der Entwicklung des technischen Konzepts wurden Arten und Mengen der in Deutschland bis 2022 anfallenden hochradioaktiven Abfälle zugrunde gelegt. Nach der endgültigen Abschaltung des letzten Kernkraftwerks werden rund 35 000 abgebrannte Brennelemente, ca. 2 000 Brennelemente aus Forschungsreaktoren sowie etwa 8 000 sogenannte Kokillen mit verglasten Abfällen aus der früheren Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente zu entsorgen sein.

Durchmesser der Bohrlöcher und Behälter. Diese Daten waren vor allem für die Bestimmung der möglichen Tiefe und Anzahl der benötigten Bohrlöcher sowie die Beschaffenheit entsprechender Behälter maßgeblich. Dabei waren verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, die sich zum Teil wechselseitig beeinflussen:

  • Eine erneute Konditionierung der verglasten Abfälle ist technisch und finanziell sehr aufwendig und wurde deshalb nicht angenommen. Der Innendurchmesser eines Behälters muss daher mind. 45 cm betragen, um die Kokillen aufnehmen zu können. Die Umkonditionierung der Brennelemente erfordert eine Mindestlänge der Behälter von ca. 5 Metern.
  • Je tiefer der Einlagerungsbereich und damit das Bohrloch liegt, desto dicker müssen die Wände der Rohre (wegen des umgebenden Gebirgsdrucks) und der Behälter (wegen des Drucks der Fluidsäule) sein – und, daraus folgend, auch der Durchmesser des Bohrlochs. Der Durchmesser eines geeigneten Bohrlochs muss somit bei mindestens 60 Zentimeter liegen.
  • Je tiefer ein Bohrloch reicht, desto mehr Behälter kann es in einem vertikalen Einlagerungsbereich aufnehmen, so dass zur Endlagerung weniger Bohrlöcher als bei geringerer Bohrtiefe benötigt werden.

Begrenzend in Bezug auf die möglichen Abmessungen wirkt dabei auch der Stand der heute verfügbaren Bohrtechnik. Diese erlaubt heute standardmäßig Bohrlochdurchmesser von rund 60 Zentimetern bis in eine Tiefe von etwa 2 000 Metern bzw. 35 Zentimetern bis 5 000 Meter. Größere Durchmesser bzw. größere Tiefen sind aus heutiger Sicht als Sonderanforderung machbar. Da in den üblichen Anwendungsgebieten wie z. B. der Erdöl- und Erdgasförderung keine Notwendigkeit für entsprechende Bohrungen besteht, wären bei deutlich größeren Durchmessern und Tiefen zusätzliche Entwicklungsarbeiten erforderlich.

Welche Tiefe idealerweise gewählt und – daraus folgend – welche Anzahl von Bohrlöchern  für eine Endlagerung der Abfälle erforderlich werden sollte, hängt von der geologischen Situation an dem jeweiligen Standort ab. Um dieser Variabilität Rechnung zu tragen, wurden in dem Projekt entsprechende Berechnungen für verschiedene Tiefen angestellt (vgl. Tabelle). Für einen Behälter aus Stahl, dem Deep Borehole Container – Retrievable (rückholbarer Behälter für eine tiefe Bohrlochlagerung – kurz: DBC-R), wurden die Abmessungen für verschiedene Tiefen ermittelt. Unter Abwägung der bestimmenden Faktoren wie z. B. der bohrtechnischen Machbarkeit und dem zu erwartenden Sicherheitsgewinn schätzen die Forscher als derzeitiges Optimum eine maximale Bohrlochtiefe von rund 3 500 Metern.

Einlagerungstechnik und Verschluss der Bohrlöcher. Nicht nur das Bohrloch und der Behälter sind zur Beurteilung der Machbarkeit von Bedeutung sondern auch der Einlagerungsvorgang und der spätere Verschluss der Bohrlöcher. Für die Studie wurden daher erste Konzepte für die Einlagerung der radioaktiven Abfälle und den späteren Verschluss der Bohrlöcher entwickelt.

Bei einer Endlagerung in tiefen Bohrlöchern muss beispielsweise sichergestellt sein, dass ein (wenig wahrscheinliches) Verkanten eines Behälters beim Herablassen in der Verrohrung des Bohrlochs technisch beherrscht werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine zweite Verrohrung des Bohrlochs bis in die erste barrierewirksame Gesteinsschicht vorhanden ist. Diese Verrohrung (der sog. liner extension, s. Abb.) ist beweglich und hängt in dem fest in das umgebende Gestein einzementierten Rohr (dem liner). Verkantet ein Behälter innerhalb dieses zweiten Rohres, kann er mitsamt dem inneren Rohr aus dem Bohrloch gezogen werden. Verkantet er unterhalb, so befindet er sich in der barrierewirksamen Gesteinsschicht. Diese Schicht und der nachfolgende Verschluss des Bohrlochs können dann eine ausreichende Isolation des Behälters bzw. der Abfälle in seinem Inneren gegenüber Biosphäre gewährleisten.

Der Verschluss der Bohrlöcher ist grundsätzlich mit verschiedenen Methoden erreichbar. Deren Einsatz ist beispielsweise abhängig von der geologischen Situation der jeweiligen Bohrstrecke. Führt ein Bohrloch beispielsweise durch Salzschichten, könnte ein Verschluss dadurch erreicht werden, dass innerhalb dieser Schicht die Verrohrung vollständig ausgefräst wird. Die in größeren Tiefen herrschenden Temperaturen und der Gebirgsdruck führen dann dazu, dass das Salz den entstandenen Hohlraum innerhalb weniger Stunden oder Tage verschließt und abdichtet. Zusätzlich können für den Verschluss Materialien wie Bentonite, Asphalte usw. verwendet werden, wie sie auch für die Abdichtung von größeren Strecken in einem Endlagerbergwerk vorgesehen sind.
 

Vereinbarkeit mit heutigen Anforderungen

Auf der Grundlage der beschriebenen Konzepte wurde schließlich untersucht, ob diese Variante den „Sicherheitsanforderungen an die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle“ des Bundesumweltministeriums und den gegenwärtig in der Kommission „Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe“ diskutierten Kriterien für ein Standortauswahlverfahren gerecht werden könnte. Diese betreffen insbesondere die Sicherheit des Einlagerungsbetriebs und die Langzeitsicherheit eines Endlagers, d. h. den sicheren Einschluss der Radionuklide über einen Zeitraum von rund einer Million Jahre. Die Ergebnisse früherer Studien und dieser Studie zeigen, dass die Lagerung in tiefen Bohrlöchern grundsätzlich geeignet ist, eine ausreichende Isolation der radioaktiven Stoffe zu erreichen. Die vorliegende Studie hat insoweit aber auch gezeigt, dass gegenwärtig verfügbaren Methoden und Konzepte weiterentwickelt werden müssten, um die technische Umsetzung zur ermöglichen und standortspezifisch die Langzeitsicherheit beurteilen bzw. nachweisen zu können.

Die heutigen Sicherheitsanforderungen sehen allerdings eine Rückholbarkeit der Abfälle während der Betriebsphase sowie deren Bergbarkeit über einen Zeitraum von 500 Jahren nach dem Verschluss des Endlagers voraus. In Bezug auf diese beiden Anforderungen kommt die vorliegende Studie zu unterschiedlichen Ergebnissen. Während eine Rückholbarkeit mit dem heutigen Stand der Technik bei der tiefen Bohrlochlagerung möglich erscheint, ist eine Bergbarkeit der im Konzept vorgesehenen Stahlbehälter über den geforderten Zeitraum nicht zu erwarten, da diese unter Gasbildung korrodieren. Unter der Voraussetzung geeigneter Behälter (z. B. Compositmaterialien), die nicht in dem Maß wie die im Konzept vorgesehenen Stahlbehälter korrodieren, erscheint eine Bergbarkeit nach heutigem Erfahrungstand der beteiligten Fachleute allenfalls über rund 100 Jahre machbar.
 

Fazit

Aus rein technischer Hinsicht wird eine Einlagerung in tiefen Bohrlöchern als machbar eingeschätzt. Die Anforderung einer Bergbarkeit der Abfälle über 500 Jahre erscheint nach heutigem Kenntnisstand auch mittelfristig nicht erfüllbar. Falls diese Endlagervariante als alternative Methode zur Endlagerung in einer geologischen Formation zur Verfügung stehen soll, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich. Neben der technischen Demonstration der Machbarkeit der minimal erforderlichen Bohrlochdurchmesser und –tiefe sind detaillierte Sicherheitsanalysen zur Betriebs- und Langzeitsicherheit notwendig. Nach heutigem Kenntnisstand erscheint es dann möglich, dass ein solches Endlager die heutigen Anforderungen an die Betriebs- und die Langzeitsicherheit erfüllen kann.

Die Studie steht hier zum Download bereit. Zu der Endlagerung in tiefen Bohrlöchern hat sich die GRS außerdem im Juni 2015 am internationalen Workshop “Final Disposal in Deep Boreholes Using Multiple Geological Barriers: Digging Deeper for Safety” beteiligt. Weitere Veröffentlichungen der GRS zu diesem Thema sind geplant. Die Deutsche Arbeitsgemeinschaft Endlagerforschung (DAEF) hat zur tiefen Bohrlochlagerung im Juni 2015 eine Kurzstellungnahme herausgegeben.