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Technical Report NTB 16-03

Production, consumption and transport of gases in deep geological repositories according to the Swiss disposal concept

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In einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle wird die Korrosion verschiedener Metalle und Legierungen unter Sauerstoffabschluss und bei Vorhandensein von Wasser zur Bil­dung von Wasserstoff führen. Falls vorhanden, kann auch organisches Material langsam abge­baut und zu Kohlendioxid, Methan und anderen gasförmigen Spezies umgesetzt werden. Je nach lokalen Bedingungen können gasförmige Spezies durch chemische Reaktionen und mikro­bielle Aktivität verbraucht werden. Wenn jedoch die resultierenden Gasbildungsraten die Diffu­sionsraten von gelösten Gasmolekülen in den Poren der technischen Barrieren oder des Wirt­ge­steins übersteigen, werden schliesslich die Löslichkeitsgrenzen der Gase überschritten, wodurch es zur Bildung einer freien Gasphase kommt. Die verschiedenen Gase könnten weiter­hin akku­mu­lieren bis der Druck ausreicht, um in der Gasphase freigesetzt zu werden.

Der vorliegende Bericht behandelt die Entwicklung von gasinduzierten Prozessen, die das Lang­zeit­verhalten und die Sicherheit eines SMA- und HAA-Lagers im Opalinuston beein­flussen können. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer Synthese von Prozessen und Phäno­menen in Zusam­menhang mit in einem Tiefenlager produziertem Gas und einer Bewer­tung ihres Ein­flusses auf die Funktionstüchtigkeit eines Tiefenlagers. Der vorliegende Bericht bietet hierzu einen aktuellen Überblick hinsichtlich Quellen, Reaktionen und Wechsel­wirkungen, Produktion, Verbrauch und Transport von Gas. Darüber hinaus werden basierend auf dem aktuellen wissen­schaft­lichen Verständnis Kriterien definiert, um den möglichen Einfluss von in einem Tiefen­lager produziertem Gas auf die sicher­heits­relevanten Eigenschaften der techni­schen und geo­logischen Barrieren zu bewerten.

Die Bewertung der Bildung, des Abbaus und des Transports von Gas erfolgt separat für das HAA- und das SMA-Lager. Die für beide Lagertypen verwendete Methode umfasst die Beschrei­bung und Quantifizierung der potenziellen Gasquellen, bestehend aus den Abfällen, tech­nischen Barrieren wie den Endlagerbehältern und anderen gasbildenden Lager­kompo­nen­ten, sowie die Beschreibung der Prozesse und Reaktionen, die zu Gasbildung und Abbau füh­ren. Weiter wird die Entwicklung der Gasbildungsrate und des kumulierten Gasvolumens für den jeweiligen Betrach­tungszeitraum berechnet. Das Ergebnis wird für die Modellierung des Gas­transports, sowie des resultierenden Gasdruckaufbaus und gasinduzierten Wasserflusses verwen­det, wobei letztere als Indikatoren für die Bewertung herangezogen werden. Ungewiss­heiten und Varianten werden zu spezifischen Bewertungsfällen kombiniert. Diese werden ver­wendet, um einerseits die zu erwartende Bandbreite der sicherheitsrelevanten Para­meter zu bestimmen und mögliche Aus­wirkungen von Mass­nahmen aufzuzeigen, welche die gebildete Gas­menge ver­ringern kön­nen. Andererseits sollen Bereiche identifiziert werden, in denen weitere Forschung die grössten Fort­schritte erwarten lässt.

Das wichtigste Ergebnis der Bewertung ist, dass für die pessimistischen Basisfälle und sogar für die ungünstigsten untersuchten Fälle die Gasproduktion im HAA- und im SMA-Lager die Sicher­heits­funktionen des Wirtgesteins und der technischen Barrieren nicht beeinträchtigt. In allen unter­suchten Fällen ist eine Sicherheitsmarge in Bezug auf die definierten Kriterien vor­han­den. Darüber hinaus stehen bei Bedarf mehrere Optionen zur Verfügung, welche die Folgen der Gas­pro­duktion in den Tiefenlagern weiter einschränken. In beiden Lagertypen wird die Gas­pro­duk­tion von Wasserstoff dominiert, welcher hauptsächlich aus der Korrosion von Kohlen­stoff­stahl ent­steht. Demzufolge könnten alternative Einlagerungs- und Bautechnologien, alter­native End­la­ger­behälter­materia­lien oder die Behandlung von metallischen Abfällen durch Ein­schmelzen die während des Betrachtungszeitraums gebildete Gasmenge verringern. Der Aufbau eines Gas­über­drucks und die daraus resultierende Poren­wasserverdrängung könnten eben­falls ein­ge­schränkt werden durch gedeihende gasverbrauchende Mikroorganismen oder durch die kon­trol­lier­te Ableitung von Gas entlang der Zugangsbauwerke (EGTS: «engineered gas trans­port system»).

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