Ein «U-Boot» mitten im Berg?

Wie bewegen sich radioaktive Teilchen durch das Wirtgestein, das die strahlenden Abfälle aufnehmen soll? Diese Frage ist für die Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers zentral. Im Felslabor Grimsel läuft dazu seit 2004 ein grosses Experiment mit dem Namen Colloid Formation and Migration (CFM).

Von einem Kolloid ist die Rede, wenn mehrere Teilchen verkleben – das italienische Wort «la colla» für «Kleber» erinnert daran. Das CFM-Experiment untersucht, wie solche verklebten Teilchen die Bewegung von Radionukliden beeinflussen.

Das Gestein fungiert als Sicherheitsbarriere im Tiefenlager; es kann gestört sein. Auf eine solche Störungszone fokussiert das CFM-Experiment. Als diese Zone entstand, schrammte der gebrochene Fels aneinander, sodass sich dazwischen eine Schicht aus zerriebenem Gestein bildete. Später, bei der Reaktivierung der Bruchstelle, wurde diese Schicht spröde – und damit deutlich durchlässiger als intaktes Gestein.

Das Experiment untersucht, wie sich Radionuklide darin bewegen, in Wechselwirkung mit Kolloiden. Letztere können nämlich jene Mechanismen abschwächen, die die Radionuklide im Gestein zurückhalten.

Wie ein Ballon im Stollen 

Herzstück des CFM-Experiments ist ein sogenannter Megapacker. Wegen seiner gelben Farbe und der Grösse wird er von den Forschenden auch «Yellow Submarine» genannt, also «gelbes U-Boot». Ein Packer ist wie ein Luftballon, mit dem ein Hohlraum im Gestein abgedichtet werden kann.

Das kann ein Bohrloch sein oder, wie beim CFM-Experiment, ein Stollen. Der mit Wasser gefüllte Megapacker erzeugt dort, wo die Störungszone liegt, einen hohen Druck auf die Stollenwand. Aber wozu? Wie rasch sich Radionuklide im Gestein bewegen, hängt stark vom hydraulischen Gradienten ab. Das ist ein Druckunterschied, der auch zwischen dem Fels und dem Stollen als künstlichem Hohlraum besteht. Dadurch entsteht eine Fliessbewegung Richtung Stollenwand.

Doch damit verzerrt der menschengemachte Stollen die natürliche Bewegung im Gestein, die man untersuchen möchte. Um das störende Druckgefälle auszugleichen, erzeugt der Megapacker an der Stollenwand einen Gegendruck ins Felsinnere. Die Druckunterschiede werden damit aufgehoben: Es ist, als ob es den Stollen gar nicht geben würde.

Dank des Megapackers sind die hydraulischen Gradienten im Gestein so stabil, dass sich darin sogar die Gezeitenkräfte zwischen Erde und Mond zeigen.

Auf Raupen herausgezogen

Nach langjährigen Diensten musste das «U-Boot» 2025 überholt werden. Um den Koloss möglichst in einem Stück aus dem Stollen zu kriegen, war viel Erfindergeist nötig. Mithilfe eines Stahlgestells und eines Raupenfahrwerks wurde der Megapacker aus dem Stollen gezogen. Danach wurden die einzelnen Packer ersetzt und die mit Harz beschichtete Felswand abgeschliffen, anschliessend kam eine neue Harz- und Folienschicht drauf.

Schliesslich wurde das «U-Boot» wieder hineingeschoben und der Megapacker im ringförmigen Hohlraum zwischen dem Stahlzylinder und der Stollenwand wieder mit Wasser gefüllt. So baute sich der Gegendruck langsam wieder auf – und neue Experimente konnten gestartet werden.