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Technical Report NTB 14-10

Modelling of Radionuclide Transport along the Underground Access Structures of Deep Geological Repositories

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Mit der Anordnung und der Versiegelung der Zugangsbauwerke zu einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle soll sichergestellt werden, dass die Radionuklidfreisetzung aus den untertägigen Lagerkammern während der Nachverschlussphase praktisch ausschliesslich über die geologische Barriere erfolgt. Der Basisfall der vorliegenden Studie, in welchem realistische Werte für die hydraulischen Eigenschaften der Versiegelungsbauwerke und der zugehörigen Auflockerungszonen verwendet werden, untersucht, inwiefern dies für verschiedene Auslegungsvarianten (Zugang über Rampe und Schächte und Zugang nur über Schächte) tatsächlich der Fall ist. Um die Robustheit des Systemverhaltens gegenüber möglichen Störeinflüssen und Ungewissheiten in Zusammenhang mit solchen Versiegelungsbauwerken und den zugehörigen Auflockerungszonen zu untersuchen, wird in vorliegender Studie zusätzlich ein breites Spektrum von Rechenfällen analysiert, einschliesslich der hypothetischen Annahme, dass diese Bauwerke eine deutlich geringere hydraulische Barrierenwirkung aufweisen als erwartet, und um zu prüfen, ob deshalb die Zugangsbauwerke zu den Lagerkammern als bevorzugte Freisetzungspfade für Radionuklide aus einem geologischen Tiefenlager in Erscheinung treten könnten.

Die Bearbeitung dieser Fragestellung erfolgt anhand von Radionuklidtransportrechnungen für je ein generisches Tiefenlager für hochaktive Abfälle (HAA-Lager) und ein generisches Tiefenlager für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA-Lager) im Wirtgestein Opalinuston. Dabei werden sowohl die Möglichkeit einer Rampe als auch jene eines Schachts als gleichwertige Varianten für den Zugang nach Untertag für den Materialtransport (Abfallgebinde etc.) untersucht und gegenübergestellt. Zusätzliche Schächte, z. B. für den Personentransport und für die Lüftung, sind in beiden Varianten vorhanden.

Das Vorgehen bei der Modellierung lässt sich in drei Schritte unterteilen:

  1. Das Netzwerk an Untertagebauwerken und Zugangsbauwerken eines geologischen Tiefenlagers wird in einem hydraulischen Modell abgebildet, mit welchem die Wasserflüsse entlang dieser Bauwerke und durch das Wirtgestein für verschiedene Situationen berechnet werden.
  2. Alle relevanten Transportpfade für Radionuklide werden, basierend auf den Ergebnissen der verschiedenen Situationen, in numerischen Transportmodellen abgebildet und jeweils eine Radionuklidfreisetzungsrate aus dem generischen Lagersystem berechnet.
  3. Mit Hilfe von Biosphären-Transferkoeffizienten werden diese Freisetzungsraten schliesslich in eine effektive Individualdosis umgerechnet und dem behördlichen Schutzkriterium gegenübergestellt.

Für die technische Umsetzung werden zahlreiche vereinfachende Annahmen getroffen, welche im Hinblick auf die übergeordnete Fragestellung jedoch als vertretbar betrachtet werden und welche zudem ausnahmslos zu einer Überschätzung der Freisetzungsraten führen.

Für beide Lagertypen werden qualitativ recht ähnliche Ergebnisse ermittelt. Quantitative Unterschiede zwischen den beiden Lagern lassen sich auf wenige Einflussfaktoren, namentlich auf die Grösse der Einlagerungsbereiche, auf die Eigenschaften der eingelagerten radioaktiven Abfälle sowie auf die Konzepte und Parameter zur Mobilisierung der Radionuklide aus den Abfällen zurückführen.
 

Die Ergebnisse zeigen, dass für realistisch gewählte Modellparameter praktisch keine Radionuklidfreisetzung entlang der Zugangsbauwerke stattfindet. Die Annahme, dass in einem geologischen Tiefenlager die Radionuklidfreisetzung durch die geologische Barriere erfolgt, wird somit bestätigt. Wird – ausgehend von den realistischen Modellparametern – die hydraulische Durchlässigkeit entlang aller Untertage- und Zugangsbauwerke (inklusive der Auflockerungszone um diese Strukturen) sukzessive erhöht, dann steigt auch der berechnete Wasserfluss entlang dieser Bauwerke an. Allerdings steigen die Fliessraten nicht beliebig, sondern nähern sich einem Grenzwert, weil der Wasserfluss entlang der Bauwerke letztlich durch die niedrige hydraulische Durchlässigkeit des Wirtgesteins beschränkt wird. Die berechneten Individualdosen zeigen das gleiche asymptotische Verhalten wie die Wasserflüsse entlang der Untertagebauwerke und sind auch für Rechenfälle mit relativ hohen Wasserflussraten niedrig.

Die unter Verwendung von realistischen Parameterwerten für die hydraulischen Eigenschaften der Versiegelungsbauwerke und der zugehörigen Auflockerungszonen berechneten Freisetzungsraten aus den Zugangsbauwerken sind für alle betrachteten Varianten äusserst niedrig und deutlich geringer als die Freisetzungsraten aus dem Wirtgestein. Daraus wird gefolgert, dass die Art des Hauptzugangsbauwerks nach unter Tage für die in dieser Studie untersuchten Tiefenlager keine Bedeutung für deren Langzeitsicherheit hat.

Schliesslich liegen die berechneten Dosiswerte auch für sehr ungünstige Parameterwerte für die hydraulischen Eigenschaften der Versiegelungsbauwerke und der zugehörigen Auflockerungszonen deutlich unterhalb des behördlichen Schutzkriteriums von 0.1 mSv pro Jahr, in den meisten Fällen sogar um mehrere Grössenordnungen. Diese Resultate, zusammen mit der Tatsache, dass für diese Modellrechnungen zahlreiche Vereinfachungen gemacht wurden, welche allesamt die berechneten Freisetzungsraten überschätzen, zeigt deutlich die Robustheit der betrachteten geologischen Tiefenlager gegenüber möglichen Störeinflüssen und Ungewissheiten im Zusammenhang mit den hydraulischen Eigenschaften der Versiegelungsbauwerke und der zugehörigen Auflockerungszonen.

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