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Technical Report NTB 00-08

The Nagra-JNC in situ study of safety relevant radionuclide retardation in fractured crystalline rock IV: The in situ study of matrix porosity in the vicinity of a water conducting fracture

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Die Matrixporosität ist ein Schlüsselparameter für die Bewertung verschiedener Szenarien bei der Abschätzung der Radionuklidrückhaltung in der Geosphäre. Die Anzahl, Form und Grösse der Poren beeinflusst direkt die Radionuklidrückhaltung, der Verbindungsgrad dieser Poren (und folglich die Zugänglichkeit für Schadstoffe zu solchen Poren) muss jedoch ebenfalls in Betracht gezogen werden.

Bisher wurde bei der Bewertung der Rolle der Matrixporosität in der Sicherheitsanalyse meistens die Quantifizierung des Einflusses gestörter Proben auf die Geometrie und den Verbindungsgrad der Poren und deren Auswirkung auf die Abschätzung der Gesamtporosität sowie der geophysikalischen und hydraulischen Parameter generell vernachlässigt (oder die Effekte ausschliesslich qualitativ bewertet). Daher wurde die folgende Studie initiiert, mit der Zielsetzung, die Verbundenheit der In-Situ-Matrixporosität zu charakterisieren, den Einfluss der Probenaufarbeitung auf die Gesamtporosität zu quantifizieren und den Einfluss der Resultate auf Transportmodelle, die bei der Sicherheitsanalyse verwendet werden, zu bewerten. 

Für die In-Situ-Imprägnierung der für die Diffusion zugänglichen Gesteinsmatrix wurde eine neue Technik gemeinsam von der Nagra und JNC entwickelt und erfolgreich im Bereich der Granodioritmatrix hinter einer wasserführenden Kluft im Felslabor Grimsel (FLG) der Nagra in der Schweiz und am Kamaishi In-Situ-Teststandort (KTS) von JNC in Japan angewendet. Nachdem die konservierte Gesteinsmatrix überbohrt worden war, wurde ein umfangreiches petrographisches, petrophysikalisches und chemisches Untersuchungsprogramm an Proben aus allen gestörten Gesteinsbereichen durchgeführt (z. B. die vom Injektionsbohrloch beeinflusste umgebende Gesteinsmatrix, die vom Tunnelausbruch gestörte Zone etc.). 

Die Ergebnisse dieser Studie ergaben, dass die strukturelle und mineralogische Heterogenität in der undeformierten Matrix des Grimsel-Granodiorits wichtig ist und den Typ und die Grösse der vorherrschenden Porosität beeinflusst. Es konnten vier verschiedene Porentypen unterschieden werden: Korngrenzenporen, Schichtsilikatporen, Lösungsporen und Mikroklüfte. Sämtliche dieser Porentypen stellen ein verbundenes Netzwerk dar, das innerhalb des experimentellen Zeitrahmens für Harz zugänglich ist. Messungen der seismischen Geschwindigkeit (Vp) als Funktion des Porenwasserdrucks, der Wassersättigung und Raumrichtung an in situ und im Labor imprägnierten Gesteinsproben ergaben Einschränkungen bei der Unterscheidung zwischen In-Situ- Matrixporen und künstlich verursachten Poren. Der Vergleich der konventionellen Techniken zur Bestimmung der Porosität mit einer neu entwickelten Methode einer chemischen Analyse von Harzerfüllten Poren zeigte, dass konventionelle Laborbestimmungen an Gesteinsproben die Matrixporosität um einen Faktor 2 bis 2.5 überschätzen. 

Um die Auswirkungen dieser neu gewonnenen Daten auf das Rückhaltevermögen von aus einem Lagernahfeld freigesetzten Radionukliden in der Geosphäre zu definieren, wurden Überschlagsrechnungen basierend auf zwei bestehenden Sicherheitsanalysen für ein Tiefenlager durchgeführt. Diese ergaben, dass die Berechnung der Radionuklidrückhaltung relativ unempfindlich ist gegenüber der Grössenordnung von sowohl der Porosität als auch des Porendiffusionskoeffizienten (in den für typische Wirtgesteine beobachteten Wertebereichen). Jedoch spielt der Grad der verbundenen Porosität eine wichtige Rolle und führt möglicherweise zu einer deutlichen Zunahme der Radionukliddurchbruchszeit in die Biosphäre und zu einem deutlichen Rückgang der Peakaktivität der betroffenen Radionuklide. 

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie an den beiden untersuchten Gesteinstypen zeigen, dass eine verbundene Porosität in der Matrix hinter wasserführenden Klüften im Gestein in bestimmten Tiefenbereichen existiert (zumindest bis in einigen Metern Tiefe). Obwohl diese Arbeiten in anderen Gesteinstypen (und schliesslich auch in Wirtgesteinen) wiederholt werden müssen, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, kann aus den bisherigen Ergebnissen geschlossen werden, dass die gängigen Annahmen zu den Eigenschaften der Radionuklidrückhaltung der Wirtgesteinsmatrix zu konservativ sind und daher in künftigen Sicherheitsanalysen neu evaluiert werden müssen. Zusätzlich weisen die Ergebnisse auf die Gefahren einer simplen Übertragung von Labordaten bezüglich der Eigenschaften der Geosphäre auf In-situ-Bedingungen hin. 

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