Langfristig entscheidet die Geologie

Heute befinden sich die hochradioaktiven Abfälle der Schweiz im aargauischen Würenlingen. Dort lagern sie verpackt in grossen, massiven Behältern, bis mit der Einlagerung im geologischen Tiefenlager begonnen werden kann. Ist es so weit, werden die Abfälle den Lagerbehältern entnommen, in kleinere Endlagerbehälter umgepackt und in Transportbehältern zum Tiefenlager gefahren. Von der Oberflächenanlage bei Stadel im Zürcher Unterland aus gelangen die Abfälle dann ins Tiefenlager. Und erst dort unten, in fast 900 Metern Tiefe, werden die Endlagerbehälter entnommen und eingelagert.

Auf der gesamten Strecke, also vom Zwischenlager bis zu den Stollen im Tiefenlager, spielen all diese Behälter eine wichtige Rolle. Dank ihnen sind die Abfälle so gut eingepackt, dass der Schutz von Mensch und Umwelt auch bei Ereignissen wie einem Feuer oder einem Verkehrsunfall gewährleistet ist. Ausserdem schirmen die dickwandigen Stahlbehälter einen Teil der Strahlung ab.

Es klafft eine grosse Lücke

Die sichere Verpackung der radioaktiven Abfälle ist zentral für die Aufbewahrung im Zwischenlager, den Transport und für die Arbeiten bei der Einlagerung im Tiefenlager. Hierbei ist die Rede von der sogenannten Betriebssicherheit. Lagern die Abfälle in den verschlossenen Stollen des Tiefenlagers, ist die Rede von der Langzeitsicherheit. Welche Rolle haben die Endlagerbehälter in dieser langen Zeit?

Voraussichtlich werden die Behälter aus Stahl konstruiert sein. Eine Richtlinie schreibt vor, dass sie mindestens 1000 Jahre lang dicht sein müssen. So lange müssen sie sämtliche radioaktiven Teilchen – die Radionuklide – vollständig einschliessen. Die Behälter dürfen also bis dann nicht durchgerostet sein.

Doch reichen diese 1000 Jahre für die Langzeitsicherheit des Tiefenlagers aus? Die Nagra muss nachweisen, dass das Tiefenlager Mensch und Umwelt bis zu einer Million Jahre lang vor Strahlung schützt. 1000 Jahre hier, hunderttausende dort: Da klafft eine grosse, erklärungsbedürftige Lücke.

Zwar geht die Nagra davon aus, dass ein Endlagerbehälter aus Stahl deutlich länger dicht hält als die geforderten 1000 Jahre. Zudem liesse sich diese Dauer noch erhöhen, indem zum Beispiel Materialien wie Kupfer, Keramik oder Titan verwendet würden. Wie genau der Behälter am Ende konstruiert ist, das wird bewusst noch offen gelassen.

Denn bis zur Einlagerung der Abfälle vergehen noch Jahrzehnte. Und in der Zeit ist noch mit Fortschritten zu rechnen, so etwa in den Materialwissenschaften. Würde man das exakte Aussehen der Endlagerbehälter schon heute festlegen, könnten solche technisch-wissenschaftlichen Fortschritte in Zukunft nicht mehr mitgenommen und genutzt werden. Optimierungen am Endlagerbehälter haben aber nicht zum Ziel, die geforderte Dauer von 1000 Jahren in Richtung 1 Million Jahre zu erhöhen – weil das keinen Sicherheitsgewinn bringt.

Sind 1000 Jahre viel oder wenig?

Stellt man solche Zeiträume einander gegenüber, muss man die sogenannte Halbwertszeit der Radionuklide berücksichtigen. Die fortschreitende Zeit entschärft das Problem mit der Strahlung. Dabei wandeln sich – anders als bei Ewigkeitschemikalien – radioaktive Stoffe allmählich in unschädliche um.

Der physikalische Vorgang hinter dieser Umwandlung ist der radioaktive Zerfall, der je nach Art des radioaktiven Elements unterschiedlich schnell abläuft. Cäsium-137 beispielsweise hat eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren. Das bedeutet: Nach 30 Jahren ist noch die Hälfte der Radioaktivität vorhanden, die andere Hälfte ist durch den Zerfall in ein anderes Element umgewandelt worden.

Die Halbwertszeiten anderer radioaktiver Elemente reichen von wenigen Sekunden über Wochen bis hin zu abertausenden von Jahren. Sie klingen also unterschiedlich schnell ab.

Betrachtet man die Summe der Strahlung, die vom Inhalt eines Endlagerbehälters ausgeht, wird deutlich: Die geforderten tausend Jahre sind zwar wenig im Vergleich zu einer Million Jahre. Doch in diesem Tausendstel der Zeit, in dem der Behälter die hochradioaktiven Abfälle vollständig einschliessen muss, zerfallen 90 Prozent der radioaktiven Stoffe.

Eine Barriere folgt auf die nächste

Es geht also noch um die restlichen zehn Prozent der Strahlung. Die sind hartnäckig, weil sie eben weit grössere Halbwertszeiten haben, sogenannt langlebig sind. Und da sie die Endlagerbehälter überdauern werden, braucht es im Tiefenlager weitere Sicherheitsbarrieren. Diese Barrieren ergänzen sich gegenseitig und sorgen in der Summe für die Langzeitsicherheit des Lagers.

Daher wird das Ganze als Mehrfachbarrierenkonzept bezeichnet. Der Endlagerbehälter ist eine dieser Barrieren, die sich der Ausbreitung radioaktiver Teilchen entgegenstellen. Und bereits im Behälter gibt es eine weitere: Die Radionuklide sind nicht flüssig, sondern fest gebunden und umschlossen. So ist in den abgebrannten Brennelementen das radioaktive Material in zylindrischen Pellets fixiert und von Metallrohren umhüllt. Auch die schwach- und mittelradioaktiven Abfälle werden in einer festen Masse wie Glas oder Zement fixiert und in dickwandige Betonbehälter verpackt und eingelagert.

Ob nach 1000 Jahren, 10’000 Jahren oder noch später: Irgendwann wird der Endlagerbehälter nicht mehr dicht sein. Dass er dereinst durchgerostet sein wird, ist eine Grundannahme in der Planung des Tiefenlagers. Treten dann Radionuklide aus dem undicht gewordenen Behälter aus, stossen sie auf die nächste Barriere: das Verfüllmaterial. Mit diesem Material wird der Hohlraum zwischen den Behältern und der Stollenwand aufgefüllt und verschlossen. Bestehen wird es aus Bentonit oder einem anderen tonhaltigen Material, das weitere Radionuklide zurückhält. Und schliesslich werden auch die Zugänge zum Tiefenlager verfüllt und versiegelt – eine weitere Barriere.

Ein Hürdenlauf gegen die Halbwertszeiten

Bestimmte radioaktive Teilchen werden die aufgefüllten Hohlräume überwinden, auf die Wände der Lagerstollen stossen und dabei auf die entscheidende Sicherheitsbarriere treffen: den Opalinuston. Das Tongestein, in welches das Tiefenlager gebaut wird, ist die mit Abstand wichtigste Hürde gegen die Ausbreitung radioaktiver Stoffe. Ober- und unterhalb der Lagerstollen ist diese Gesteinsschicht je rund 50 Meter dick. Daran anschliessend gibt es weitere tonhaltige Schichten, die einen zusätzlichen Beitrag zum Einschluss der radioaktiven Teilchen leisten.

Als Herzstück des Tiefenlagers untersuchen die Nagra und weitere Forschungsorganisationen den Opalinuston bereits seit Jahrzehnten. Dabei lautet die zentrale Frage: Wie bewegen sich die verschiedenen Arten von Radionukliden in dem Tongestein?

Seine herausragende Bedeutung im Mehrfachbarrierenkonzept verdankt der Opalinuston drei Eigenschaften. Zum einen ist er für Wasser und Gas praktisch undurchlässig. Zum anderen dichtet er einmal entstandene Risse im Gestein wieder ab. Und drittens bleiben bestimmte Radionuklide gleichsam an ihm kleben, was deren Ausbreitung zusätzlich bremst. Um auch den schlimmstmöglichen Fall zu berücksichtigen, hat die Nagra ihren Berechnungen Worst-Case-Szenarien zugrunde gelegt.

All die Barrieren kann man sich als Hürden vorstellen, die hintereinander aufgestellt sind. Die Radionuklide mit ihren unterschiedlichen Halbwertszeiten sind wie die Läufer in einem Wettrennen gegen die Zeit. Sie bewegen sich, wenn auch sehr langsam, in den verschiedenen Materialien. Dies geschieht durch die sogenannte Diffusion. Dabei breitet sich ein Stoff von der hohen zur niedrigen Konzentration aus.

Allerdings kommen die «Läufer» unterschiedlich weit, weil sie unterschiedlich fit sind. So bleiben viele schon im Endlagerbehälter hängen, wo sie zur Unschädlichkeit zerfallen. Andere schaffen es zwar weiter, stolpern dann aber über eine der nächsten Hürden. Kurz: Die gestaffelten Barrieren verzögern die Ausbreitung der Radionuklide im Lauf gegen deren Halbwertszeiten.

Die Nagra hat die verschiedenen Eigenschaften der Radionuklide – der «Läufer» – intensiv untersucht. So sind zum Beispiel dicke Teilchen langsamer unterwegs, weil sie sich durch die engen Poren des Opalinustons zwängen müssen. Andere Radionuklide werden vom Tongestein angezogen und bleiben wie an einem Magneten daran kleben.

So hat jeder «Läufer» seine eigene Geschwindigkeit. Wie weit kommt er, bevor er zerfällt? Und was geschieht, sollte das Gestein brechen und sich so mögliche Abkürzungen für Radionuklide auftun? Diese Fragen sind wichtig, um die Strahlendosis abschätzen zu können, die maximal aus dem Tiefenlager in die Umwelt gelangen könnte.

Die Natur übertrifft die Technik

Der Schutz beim Transport, bei der Einlagerung und der Totaleinschluss von mindestens 1000 Jahren: Die Endlagerbehälter für hochradioaktive Abfälle sind wichtig – auch für die vorgeschriebene Rückholbarkeit der Abfälle. Für die Langzeitsicherheit des geologischen Tiefenlagers sind sie aber nicht entscheidend.

So zeigen Dosisberechnungen der Nagra, dass es keinen Unterschied machen würde, wenn diese Behälter fehlten. Die dicke und dichte Gesteinsschicht aus Opalinuston schliesst den radioaktiven Abfall so gut ein, dass kaum radioaktive Stoffe in die Umwelt gelangen und die Grenzwerte um Grössenordnungen unterschritten werden – auch ohne Endlagerbehälter. Die natürlich vorhandene Geologie ist somit allen technischen Sicherheitsbarrieren weit überlegen.