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Technical Report NTB 16-04

Modelling of Gas Generation in Deep Geological Repositories after Closure

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In geologischen Tiefenlagern für radioaktive Abfälle werden die anaerobe Korrosion von Metallen und der Abbau von organischen Stoffen langfristig zur Bildung von signifikanten Gasmengen führen. Die Auswirkungen der Gasbildung auf die Sicherheit der Tiefenlager nach deren Verschluss sind deshalb im Rahmen eines Sicherheitsnachweises vertieft zu untersuchen.

Der vorliegende Bericht beschreibt umfassend die quantitative Modellierung der Gasbildung und der zugehörigen Wasserzehrung während der Nachverschlussphase von geologischen Tiefenlagern im Opalinuston basierend auf dem aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand und auf gegenwärtigen vorläufigen Lagerauslegungen. Dies beinhaltet eine Darlegung der Modellierungsgrundlagen, bestehend aus den konzeptionellen und mathematischen Modellen, den verwendeten Eingabedaten, den entwickelten Computerprogrammen und den relevanten Ungewissheiten und Entsorgungs- bzw. Auslegungsvarianten, sowie auch die Herleitung, Analyse und Diskussion spezifischer Rechenfälle.

Die Modellierung erfolgt getrennt für die beiden Hauptgasquellen: Die einzulagernden Abfälle und deren Endlagerbehälter, sowie die Baumaterialen. Der Beitrag der Baumaterialien zu den Gasbildungsraten in Lagerstollen für abgebrannte Brennelemente (BE) und verglaste hochaktive Abfälle (HAA) ist während mehrerer tausend Jahre nach dem Verschluss sehr ausgeprägt. Längerfristig liefert jedoch die Korrosion der Endlagerbehälter, für welche im Referenzfall eine Herstellung aus Kohlenstoffstahl angenommen wird, den weitaus grössten Beitrag zu den gesamthaft gebildeten Gasmengen in diesen Lagerstollen. Der Beitrag der Baumaterialien zur Gasbildung in Lagerkammern für langlebige mittelaktive Abfälle (LMA) und für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) ist generell gering.

In LMA-Lagerkammern wird die Gasbildung dominiert von der Wasserstoffbildung als Folge der Korrosion von gusseisernen Mosaik-II-Abfallbehältern für Reaktoreinbauten von Druckwasserreaktoren, sowie der Korrosion von Aluminium in Betriebsabfällen der Oberflächenanlage des HAA-Lagers. In SMA-Lagerkammern wird die Gasbildung dominiert von der Wasserstoffbildung durch die Korrosion von Stahl in Stilllegungsabfällen des KKB, des KKL und des PSI-West, wobei der Beitrag der PSI-West-Abfälle aufgrund kürzlich überarbeiteter Inventardaten offenbar deutlich geringer ist. Sowohl bei LMA, als auch bei SMA leistet der Abbau von organischen Stoffen keinen signifikanten Beitrag zur Gasproduktion.

Die wichtigsten Einflussgrössen sind die Mengen und geometrischen Eigenschaften von Stahl und Aluminium, die diesbezüglichen Korrosionsmechanismen und –raten, sowie die Umgebungsbedingungen während der jeweiligen Betrachtungszeiträume. Für einige dieser Faktoren werden zukünftige Forschungsarbeiten zur Verringerung der bestehenden Ungewissheiten führen. Darüber hinaus haben zahlreiche Entsorgungs- und Auslegungsvarianten das Potenzial die Gasbildung bei Bedarf deutlich zu verringern: Das Einschmelzen von metallischen LMA und SMA, die Verwendung alternativer Behälter für BE und HAA mit deutlich verringerter Gasbildung, die Entfernung oder der Ersatz von Abfallbehältern unmittelbar vor der Einlagerung, sowie der Einsatz von nicht-schienengebundener Technologie für die Einlagerung und die Verfüllung in BE/HAA-Lagerstollen.

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