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Nagra informiert: Aktuelles zur nuklearen Entsorgung

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08.12.2017

Über 400 Forschende aus 23 Ländern trafen sich in Davos – und alles drehte sich um Ton

Vom 24. bis 27. September fand im Kongresszentrum Davos die 7. Internationale Clay Conference statt. Über 400 Forschende befassten sich intensiv mit der Entsorgung radioaktiver Abfälle – im Speziellen mit den neuesten Erkenntnissen über Ton in natürlichen und technischen Barrieren von Tiefenlagern. Es ist der wichtigste Kongress für den globalen Informationsaustausch rund um dieses Thema.

Internationale Clay Conference

Momentaufnahme der 7. Internationalen Clay Conference in Davos (Foto: Frank Meier, Congrex)

Die Schweiz wird Tiefenlager zur Entsorgung radioaktiver Abfälle im Tongestein Opalinuston bauen. «Internationale Zusammenarbeit ist in der Tonforschung für eine sichere Entsorgung enorm wichtig», sagt der Geologe Dr. Andreas Gautschi von der Nagra. Dies zeigt sich in der gemeinsamen Forschungstätigkeit in den Felslabors, aber auch an Tagungen und Konferenzen wie die vergangene Clay Conference in Davos.

Was macht den Opalinuston zur Hauptbarriere des geologischen Tiefenlagers?
Opalinuston ist ein Tongestein. Dieses besteht zu 50 bis 80 Prozent aus Tonmineralen – schichtförmig aufgebauten Mineralen, die durch Verwitterung anderer Minerale entstehen und sehr klein sind (kleiner als zwei Tausendstel Millimeter). Tone haben eine sehr grosse spezifische Oberfläche. Beim Opalinuston hat ein Gramm eine solche von 100 bis 200 Quadratmetern. Zum Vergleich: Ein Tennisplatz hat eine Grösse von 260 Quadratmetern. Da die Tonmineraloberflächen negativ geladen sind, lagern sich positiv geladene, radioaktive Stoffe wie beispielsweise Uran oder Plutonium an und werden zurückgehalten. Sie können deshalb nicht in unseren Lebensraum gelangen. Tone mit einem hohen Smektit-Anteil können Wasser aufnehmen und dadurch quellen. Das Quellvermögen bedingt, dass sich natürliche oder durch menschliche Eingriffe entstandene Risse oder Klüfte wieder schliessen. Man nennt diesen Effekt auch Selbstabdichtung des Tongesteins. Die zahlreichen Präsentationen an der Clay Conference zeigen deutlich, dass viele Nationen in ihren Entsorgungsprogrammen einen guten Schritt weitergekommen sind und dass heute ein besseres Gesamtverständnis für das «System Tiefenlager» vorhanden ist. Und es ist eindrücklich, wie sich die Nationen gegenseitig unterstützen, Wissen austauschen und so von den Erfahrungen anderer profitieren können.

Die Nagra kennt den Opalinuston inzwischen sehr genau – dank Mitarbeitenden wie Andreas Gautschi
Andreas Gautschi hat die längste Zeit seines Berufslebens bei der Nagra als Geologe gearbeitet. Internationale Zusammenarbeit und Konferenzen wie die Clay Conference waren für ihn immer wichtige Plattformen für den Austausch von Wissen. «Ich bin sicher, dass der Opalinuston ein sehr gutes Tiefenlagergestein ist. Das Gestein hat mich in meiner langen Karriere immer wieder überzeugt.»

Erfahren Sie, weshalb das Tongestein Opalinuston bis ins Detail erforscht wird:
www.youtube.com/user/NagraFilme

Clay Conference

 

«Das stärkste Argument ist, wenn mehrere Leute unabhängig voneinander auf dasselbe Resultat kommen.»

Andreas Gautschi

Die Entsorgung radioaktiver Abfälle stand für Andreas Gautschi während der letzten 30 Jahre im Zentrum. Eine Portrait-Aufnahme im Bild links. Das mittlere Bild zeigt Andreas Gautschi bei der Analyse von Bohrdaten der ersten Tiefbohrung der Nagra in Böttstein (1982/1983). Das Bild rechts zeigt Andreas Gautschi beim Klavierspielen, das er begeistert ausübt. (Fotos: Nagra)

Andreas Gautschi, wie können wir die radioaktiven ­Abfälle sicher entsorgen – über sehr lange Zeiträume?
Um die Entsorgung langfristig sicher lösen zu können, müssen wir möglichst viel wissen, also Informationen aus dem Untergrund gewinnen, interpretieren und zu ­einem robusten geologischen Gesamtbild zusammentragen. Dabei ist das Ziel, bestehende Ungewissheiten zu reduzieren. Die stärkste Methode ist, wenn anhand verschiedener Argumentationsfäden, die unabhängig voneinander sind, das gleiche Ergebnis herauskommt. Die offene Darlegung aller Forschungsergebnisse ist sehr wichtig. Das gibt Vertrauen in die Sicherheit des Gesamtsystems eines geologischen Tiefenlagers.

Sie stehen aktuell vor der Pensionierung. Was hat Sie an Ihrer Arbeit bei der Nagra fasziniert?
Neben dem Unbekannten in der Tiefe übten lange Zeiträume schon immer eine Faszination auf mich aus. Die Suche nach der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers ist auch eine Suche nach geeigneten stabilen geologischen Verhältnissen. Ich konnte die Entwicklung neuer geo­chemischer Methoden miterleben und mitgestalten, mit denen die sehr langen Verweilzeiten der Tiefengrundwässer im Untergrund nachgewiesen werden konnten – was wiederum wichtig ist für den Nachweis der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers.
Am Ende meines Berufslebens als Geologe bei der Nagra kann ich mit Befriedigung zurückblicken. Wir haben ­wissenschaftliche Pionierarbeit für die Lösung einer ­Auf­gabe geleistet, die für unsere Gesellschaft und un­sere Nachkommen immens wichtig ist.

Sie haben den «Gesteinswechsel» vom Granit zum Ton und die Entwicklung des Nagra-Entsorgungskonzeptes erlebt. Was beeindruckte Sie dabei am meisten?
Vieles, das heute schon selbstverständlich ist bei der Entsorgungsforschung, war vor 30 Jahren wissenschaftliches und organisatorisches Neuland. So zum Beispiel die erste Tiefbohrung der Nagra in Böttstein (1982 – 1983). Wir bohrten damals 1500 Meter tief. Bis zu diesem Zeitpunkt hat es in der Nordschweiz nur Tiefbohrungen in Sedimentgesteinen mit zerstörenden Meisselbohrungen gegeben. Die Nagra nutzte Bohrkerne, denn mit zerstörtem Gestein konnten wir die Fragestellungen, die für die Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers wichtig sind, nicht beantworten. Die Tiefbohrung in Böttstein war somit technische und wissenschaftliche Pionierarbeit. Sie hat mir die einmalige Gelegenheit geboten, Praxis und Forschung miteinander zu verknüpfen. Die Pionierarbeit und das internationale Vernetzen führten dazu, dass ich im Laufe meines Berufslebens Einblick in viele nationale Entsorgungsprogramme erhielt und mein Expertenwissen immer weiter vertiefen konnte. So durfte ich als beratender Experte in Frankreich, Belgien, Finnland, Grossbritannien und seit 2005 auch in Kanada aktiv sein.

Die vergangenen, geologischen Zeiträume «lesen» und in die Zukunft prognostizieren – funktioniert das?
Ja, denn wer das Verhalten des Opalinustons in der ­Vergangenheit versteht, hat den Schlüssel zu seinem ­Verhalten in der Zukunft. Wir müssen wissen, woraus er besteht, was er erlebt hat und wie er künftig reagiert. Die Zusammensetzung seiner Porenwässer in der Tiefe sind Zeit­zeugen der damaligen Verhältnisse bis heute. Die ­Isotopenzusammensetzung von Grundwässern liefert ­Hinweise auf die klimatischen Bedingungen, unter denen diese gebildet wurden, und auf ihr Alter. Das ist faszinierend. Doch das ist ein jüngeres Forschungsgebiet. In den 1980er Jahren war es erst im Entstehen begriffen, für die Sicherheit ­eines Tiefenlagers ist es aber sehr relevant. Als ich studierte, gab es noch keine Vorlesungen zur Chemie der Tiefengrundwässer. Und auch die Methoden zur Analyse der Isotope steckten noch in den Kinderschuhen. ­Damals gab es für jedes einzelne Isotop irgendwo auf der Welt einen ­Spezialisten, aber nur sehr wenige kannten sich mit dem Gesamtbild aus. Das ist heute zum Glück anders.

Andreas Gautschi und sein Beitrag für die Entwicklung der Tiefen­lagerforschung in den letzten 30 Jahren

Andreas Gautschi doktorierte an der ETH Zürich mit dem Thema «Metamorphosen und Geochemie der basischen Gesteine des Bergeller Ostrandes». Statt einer Widmung steht in seiner Doktorarbeit das Bibelzitat Hiob 28, 1 – 28. «Das ist ein sehr geologisches Zitat,» sagt Gautschi schmunzelnd. Sein Interesse für Glaubensfragen ist so alt wie sein Wunsch, in grössere Tiefen vorzudringen. Beide Interessen werden von der Frage nach dem Unbekannten und der Entstehung der Erde respektive der Schöpfung geleitet.

Andreas Gautschi hat sehr viel zum Wissen rund um die Tiefenlagerung beigetragen. Er war massgeblich an erdwissenschaftlichen Untersuchungen (u.a. zahlreiche Tiefbohrungen, Projekt Gewähr im Jahr 1985, Entsorgungsnachweis im Jahr 2002, Forschungsprojekte im Felslabor Mont Terri etc.) und speziell an geochemischen Untersuchungen (u.a. Analyse von Tiefengrundwässern) beteiligt. Sein internationales Netzwerk und seine Beziehungen zu den Entsorgungsorganisationen weltweit waren sehr wichtig für das Entsorgungsprogramm der Schweiz. Seit 2007 hält er Vorlesungen an der ETH Zürich zur geologischen Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle. Nach seiner Pensionierung am

1. September 2017 war Andreas Gautschi noch als Scientific Chairman der diesjährigen Clay Conference in Davos im Einsatz. Er steht der Nagra in den nächsten Jahren weiterhin beratend zu Seite.

Andreas Gautschi hat eine sehr spannende berufliche Laufbahn hinter sich. Trotzdem, sagt er, sei es am schönsten zuhause im Kreise der Familie. Er ist verheiratet, Vater von vier erwachsenen Kindern, sechsfacher Grossvater und wohnt in Schöftland (AG).

 

«Was wissen wir heute über Tiefenlager – und wo gibt es noch Ungewissheiten?»

In der Geologie sind stabile Zustände über einen Zeitraum von einer Million Jahre nichts Besonderes. Dies nutzt die Nagra bei der Entsorgung radioaktiver Abfälle in geologischen Tiefenlagern. Unsere Analysen zeigen auf, dass radioaktive Abfälle über Tausende von Jahren isoliert werden können. Piet Zuidema erklärt, wo es noch Ungewissheiten gibt.

Tiefenlager

Bild links: Piet Zuidema ist Mitglied der Nagra-Geschäftsleitung und war viele Jahre technisch-wissenschaftlicher Leiter. Er besitzt ein sehr grosses Wissen und überblickt das Entsorgungsprogramm der Schweiz und anderer Staaten. Bild (Mitte): Aktuelles Wissen wird immer wieder getestet und weiter entwickelt. Das Bild rechts zeigt Wissenschaftler der Nagra. Forschung in den Felslabors garantiert, noch bestehende Ungewissheiten in den nächsten Jahren weiter zu reduzieren (Fotos: Comet Photoshopping Dieter Enz).

Piet Zuidema, was wissen wir heute über die Langzeitsicherheit geologischer Tiefenlager?
Wir wissen, dass wir dem Opalinuston seine natürliche Einschlussfähigkeit belassen, wenn wir das Tiefenlager an einem geeigneten Ort anordnen, es richtig bauen, betreiben und verschliessen. Wir ergänzen den Opalinuston mit weiteren Barrieren wie Stollenverfüllung und Behälter, welche die radioaktiven Abfälle für lange Zeit sicher einschliessen. Das heisst, die Radioaktivität zerfällt im Tiefenlager grösstenteils und kann dem Leben an der Erdoberfläche auch in ferner Zukunft nichts anhaben. Wir nutzen dabei die Tatsache, dass geologische Prozesse oft sehr lange dauern.

Gibt es noch Ungewissheiten?
Für unser Lagerkonzept haben wir verbleibende Ungewissheiten identifiziert. Diese wollen wir mit den kommenden Standortuntersuchungen und im laufenden Forschungs- und Entwicklungsprogramm verkleinern. Die Bedeutung der Ungewissheiten und ihre möglichen Auswirkungen können wir abschätzen. Wir berücksichtigen dies bei Bau und Auslegung des Lagers mit ausreichenden Sicherheitsreserven. Zeit ist genügend da, um mit unseren Untersuchungen und der Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorhandene Ungewissheiten weiter zu reduzieren. Unser Ziel: Bei Einreichung der Rahmenbewilligungsgesuche in einigen Jahren gibt es keine grösseren Ungewissheiten mehr.

Wie reduzieren wir diese Ungewissheiten?
Wir müssen da differenzieren. Es gibt potenzielle Ungewissheiten, die wir umgehen oder vermeiden können. Zum Beispiel weichen wir tektonischen Schwächezonen aus. Dann gibt es Ungewissheiten, denen wir nicht ausweichen können, deren Auswirkungen wir mit zusätzlicher Entwicklungs- und Ingenieursarbeit bei der Auslegung der Lager berücksichtigen (Bsp. geeignete Wahl von Einbauten in ein Tiefenlager). Drittens gibt es Ungewissheiten, die wir weder vollständig vermeiden noch ihre Auswirkungen vollständig abschwächen können (Bsp. Migration von 14C). Deren Auswirkungen schätzen wir möglichst gut ab und berücksichtigen sie mit konservativen Annahmen in unseren Analysen. Das Lager muss auch dann noch sicher sein – mit zusätzlichen Sicherheitsreserven. Ich komme zurück zur ersten Frage. Wir wissen heute, dass wir Tiefenlager sicher bauen können. Denn wir wissen, dass wir keine grossen, systemgefährdenden Ungewissheiten mehr haben. Und wir sind auf gutem Weg, bis zum Bau der Lager für die nicht vermeidbaren Ungewissheiten optimierte Lösungen bereit zu halten.

Mehr Wissen zur Entsorgung radioaktiver Abfälle?

Ammonit

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Gasbildung in einem geologischen Tiefenlager:
Aktueller Wissensstand und Ausblick

Am 21. September fand in Bülach ein Wissenschaftsseminar zur Frage statt, wie Gase in einem verschlossenen Tiefenlager gebildet werden und wie sie allenfalls die Langzeitsicherheit von geologischen Tiefenlagern beeinflussen können.
Die Nagra beschäftigt sich seit 1997 intensiv mit den Auswirkungen von Gas, indem sie die möglichen Prozesse bei der Bildung, beim Abbau und Transport von Gas in Experimenten untersucht und modelliert.
Es bestehen verschiedene Optionen, wie die Gasproduktion in Tiefenlagern bei Bedarf weiter reduziert werden könnte. In beiden Lagertypen wird die Gasproduktion von Wasserstoff dominiert, welcher hauptsächlich aus der Korrosion von Kohlenstoffstahl entsteht. Stahl ist zurzeit als Behältermaterial vorgesehen. Alternative Behältermaterialien, aber auch alternative Einlagerungs- und Bautechnologien oder die Behandlung von metallischen Abfällen durch Einschmelzen könnten die Gasmenge verringern.
Der Aufbau eines Gasdrucks könnte ebenfalls eingeschränkt werden durch geeignet ausgelegte Untertage- und Zugangsbauwerke und die kontrollierte Ableitung von Gas entlang dieser Zugänge. Neuere Forschungsarbeiten untersuchen zudem, wie gasverbrauchende Mikroben im Opalinuston zu einer Reduktion des Gasdrucks beitragen können.
Die Nagra untersucht experimentell, wie Opalinuston sowie die Stollenverfüllung aus Bentonit bei unterschiedlichen Gasdrücken reagieren. Zudem kann sie mit weiteren Experimenten und Modellrechnungen die zu erwartende Gasmenge und den Gasdruck im relevanten Zeitraum gut abschätzen. Die Analysen und Berechnungen der letzten Jahre haben ergeben, dass die Gasproduktion die Sicherheitsfunktionen des Wirtgesteins und der technischen Barrieren in beiden Lagertypen nicht beeinträchtigt – dies selbst unter pessimistischen Annahmen.
Die Nagra wird in den nächsten Jahren die diesbezüglich verbleibenden Ungewissheiten mit gezielten Forschungsaktivitäten weiter reduzieren. Zudem wird sie die heute schon realistischen Modelle für die verschiedenen Prozesse experimentell weiter verfeinern.

Möchten Sie mehr darüber erfahren? Bestellen Sie das Faltblatt «Gas» unter www.nagra.ch/Publikationen/Downloads oder besuchen Sie das Felslabor Grimsel. Mehr Informationen dazu unter: fuehrungen.nagra.ch

Metalle unter realistischen Bedingungen untersuchen

Im Felslabor Mont Terri wird die Korrosion von Metallen unter realistischen Bedingungen untersucht. Bei den Metallen handelt es sich um Kupfer und Kohlenstoffstahl. Das Bild zeigt Nagra-Projektleiter Nikitas Diomidis in Aktion. (Foto: Nagra)

 

Auflage Bohrgesuche in Nördlich Lägern

Ab 1. November lagen die sechs Bohrgesuche der Nagra für Nördlich Lägern für 30 Tage öffentlich auf. Die Gesuche benötigen gemäss Kernenergiegesetz eine Bewilligung des UVEK (Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation).

Mit erdwissenschaftlichen Untersuchungen wie etwa Sondierbohrungen werden weitere Erkenntnisse gewonnen, um den sicherheitstechnisch geeignetsten Standort zu ermitteln. Damit lassen sich – in Ergänzung zu den bereits erfolgten 3D-seismischen Untersuchungen – präzise Aussagen über den Aufbau und die Eigenschaften der Gesteinsschichten im näheren Bereich um das Tiefenlager machen.

 

Geplante Sondierbohrungen in Nördlich Lägern

 

 

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