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Technical Report NTB 97-02

Calculations of the Temperature Evolution of a Repository for Spent Fuel in Crystalline and Sedimentary Rocks

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Die Wärmeentwicklung ist ein wichtiger Faktor, der die Auslegung eines Endlagers beeinflusst. Da viele Prozesse, die die Langzeitsicherheit beeinflussen, temperaturabhängig sind, muss die Temperaturentwicklung in der Sicherheitsanalyse berücksichtigt werden. In diesem Bericht werden Berechnungen der Temperaturentwicklung in einem Endlager für abgebrannte Brennelemente vorgestellt. Die Berechnungen basieren auf einer provisorischen Auslegung des Endlager-Nahfelds, mit Verpackung der abgebrannten Brennelemente in Kupfer-Stahl-Behältern, die zentrisch in der Horizontalachse der Endlagerstollen eingelagert werden. Die Hohlräume werden mit Bentonit verfüllt.

Aufgrund der Zerfallswärme des Abfalls sind die Temperaturen im Nahfeld zeitabhängig. Die Wärmeentwicklungsrate von jedem Behälter hängt von der ursprünglichen Zusammensetzung des Brennstoffs, dem Abbrand, der Dauer der Zwischenlagerung bis zur Endlagerung sowie von der Beladung der Behälter ab. Die Wärmeproduktionsrate verringert sich mit der Zeit aufgrund des Zerfalls der kurzlebigen Radionuklide. Für die Berechnungen des Referenzfalls wird eine Wärmeproduktion von 1000 Watt pro Behälter 40 Jahre nach Entnahme des Brennstoffs aus dem Reaktor angenommen. Die Resultate der Referenzfall-Berechnungen zeigen, dass die Temperaturen an der Grenzfläche Bentonit/Wirtgestein, im Zentrum des Bentonits und an der Grenzfläche Bentonit/Behälter maximale Werte von 98°C, 103°C und 126°C erreichen. Nachher sinken sie wieder und erreichen die Umgebungstemperatur des Wirtgesteins (im Referenzfall das kristalline Grundgebirge der Nordschweiz).

Zusätzlich zum Referenzfall werden Parametervariationen untersucht, um die Sensitivität der Temperaturentwicklung auf alternative Wärmeproduktionswerte und Auslegungs-Spezifikationen sowie auf Ungewissheiten in den Materialeigenschaften zu prüfen. Wichtige Resultate sind im Folgenden kurz zusammengefasst: (i) Eine Erhöhung der Wärmeproduktion auf 1500 W pro Behälter 40 Jahre nach Entnahme des Brennstoffs hat eine deutliche Zunahme der Endlagertemperaturen zur Folge (z. B. eine Zunahme um 22°C an der Grenzfläche Bentonit/Wirtgestein). (ii) Eine Verringerung des Stollenabstands von 20 m (Referenzfall) auf 10 m führt zu deutlich erhöhten Temperaturen; eine Erhöhung des Abstands auf 40 m hat dagegen einen weniger markanten Einfluss auf die Wärmeentwicklung. (iii) Die thermischen Eigenschaften des Bentonits und des Wirtgesteins sind weniger sensitive Parameter, wobei generell bei erhöhter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität niedrigere Temperaturen im Nahfeld resultieren. (iv) Allfällig vorhandene, mit Luft gefüllte Spalten innerhalb und um den Bentonit, Änderungen des Abstands zwischen den Behältern entlang der Tunnelachse sowie Änderungen des Stollendurchmessers haben nur einen beschränkten Einfluss auf die Temperaturentwicklung. (v) Die berechneten Temperaturen für ein Endlager in 600 m Tiefe im Opalinuston sind niedriger als für ein Endlager in 1200 m Tiefe im kristallinen Grundgebirge der Nordschweiz. Der Hauptgrund ist die kleinere Endlagertiefe mit entsprechend niedrigerer Gesteinstemperatur. Entsprechend werden die Temperaturen in der Mitte und in den äusseren Bereichen des Bentonits um ca. 10°C reduziert, wenn die Endlagertiefe im Kristallin von 1200 m auf 900 m verringert wird.

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