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Technischer Bericht NTB 79-12

Anhydrit als Wirtgestein für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Schweiz

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Die im vorliegenden Bericht enthaltene Beschreibung und Beurteilung der petrographischen Eigenschaften des Anhydrits als eines möglichen Wirtgesteins für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Schweiz können folgendermassen zusammengefasst werden:

 
Mineral und Gestein Anhydrit (Kapitel 2 und 3):

Das Mineral CaSO4 existiert in drei Erscheinungsformen als Anhydrit I, II und III. Während Anhydrit III nur über 1180 °C stabil ist und Anhydrit I eine sehr stark lösliche Form darstellt, ist Anhydrit II die in der Natur normalerweise anzutreffende Bildung. Anhydrit kann sich durch Hydratation mit 61­%iger Volumenzunahme in Gips umwandeln. Bei Süsswasserbedingungen und Normaldruck stellt Gips bis 58 °C die stabile Phase dar; Anhydrit wird bei Wasserzugabe in Gips umgewandelt. Oberhalb von 58 °C ist Anhydrit stabil; es erfolgt keine Umwandlung mehr in Gips. Erhöhter Druck und zunehmende Salinität verschieben die Grenze der beiden Stabilitätsgebiete.

Die Bildung des Gesteins Anhydrit kann auf zwei Arten erfolgen: Primärer Anhydrit wird entweder unter hypersalinären Bedingungen bei Normaldruck und über 25 °C am Rande von Flachmeeren ausgeschieden oder bei erhöhten Temperaturen eventuell auch direkt aus normalem Meerwasser. Die diagenetische Bildung von Anhydrit aus Gips erfolgt bei erhöhten Temperaturen und Drücken (Ueberlagerungsdruck), wobei mit zunehmender Salinität kleinere Ueberlagerungsdrücke notwendig sind. An der Oberfläche erfolgt in Anwesenheit von nichtsalinem Grundwasser meistens eine Rückumwandlung des Anhydrits in Gips (20 – 50 m dicke Gipskrusten).

Durch tektonische Beanspruchungen kann es zur Bildung von Anhydrit- oder Gipsbrekzien kommen. Wenn im Sulfatgestein auch Tonmineralien enthalten sind, können auch Gleit- und Abscherungshorizonte, Fliessstrukturen und Verschieferungen beobachtet werden. Bei tektonischer Beanspruchung nimmt die Korngrösse des Anhydrits im Allgemeinen zu; es werden Anhydritmarmore gebildet (Val Canaria).

Die Lagerkavernen für mittelaktiven Abfall in ca. 600 m Tiefe befinden sich meistens im instabilen Gebiet des Anhydrits, so dass eine Umwandlung in Gips (Selbstheilung) möglich ist, was als Vorteil zu werten ist. Die Endlager für hochaktive Abfälle können in mittlerer Tiefe (< ca. 1000 m) im instabilen Gebiet des Anhydrits mit Selbstheilung und in grösserer Tiefe im stabilen, auch bei vorhandener Salinität nicht umwandelbaren Anhydrit liegen.

Die Dichte des Minerals Anhydrit beträgt 2,985 kg/dm3. Dank der sehr geringen Porosität von ca. 0,05 – 0,8 % weist das Anhydritgestein eine Rohdichte von 2,89 – 2,93 kg/dm3 auf. Sie ist höher als diejenige der meisten übrigen Gesteine. Im Hinblick auf die Strahlenabschirmung kann dies von Bedeutung sein.

Mechanische Eigenschaften (Kapitel 4):

Massiger Anhydrit

Mit einer Druckfestigkeit von 50 – 150 N/mm2, einem Winkel der inneren Reibung von 31 – 39°, einer Kohäsion von 10 – 40 N/mm2 und einem Verformungsmodul von 10'000 – 40'000 N/mm2 stellt massiger Anhydrit ein sehr gutes Stollengebirge dar (Ausbruchklassen I bis II). Er kann etwa mit massigem Kalk oder Sandstein verglichen werden. Er eignet sich sehr gut für Lagerkavernen für schwach- und mittelaktive Abfälle: Sowohl Sprengen wie mechanischer Abbau (Vortriebsmaschinen) sind gut möglich. Gute Standfestigkeit (self-supporting) kann bis auf mindestens 600 m Tiefe erwartet werden. Die sehr unbedeutende Erwärmung und Bestrahlung aus schwach- und mittelaktiven Abfällen beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften von massigem Anhydrit nicht.

Für die Ausführung von Schächten, Stollen oder Tiefbohrungen für hochaktive Abfälle eignet sich massiger Anhydrit besser als Steinsalz oder Ton. Ausserdem ist die Bohrbarkeit bzw. Abbaubarkeit von Anhydrit wesentlich besser als für Granit. Aus Erwärmung und Bestrahlung sind Festigkeitseinbussen zu erwarten, die aber erst in einem Zeitpunkt eintreten, wenn die Standfestigkeit keine Rolle mehr spielt (nach Versiegelung).

Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel

Eine Druckfestigkeit von 10 – 30 N/mm2, ein Winkel der inneren Reibung von 35 – 500, eine Kohäsion von 1,5 – 20 N/mm2 und ein Verformungsmodul von 3000 – 20'000 N/mm2 weisen darauf hin, dass Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel ein mittelgutes Stollengebirge (Ausbruchklassen II – III) darstellt und in vielen Fällen mit Mergeln verglichen werden kann. Ungünstig für den Kavernenbau müssen die Quellfähigkeit und verwitterungsanfälligkeit beurteilt werden. Für schwachaktiven Abfall wird Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel daher nicht empfohlen, weil oberflächennah andere, besser geeignete Gesteine zur Verfügung stehen.

Hingegen erscheinen die mechanischen Eigenschaften als tragbar für Kavernen für mittelaktive Abfälle, bei welchen der «wechselgelagerte Anhydrit» wegen seiner relativ guten Wasserdichtheit (siehe auch Wasserdichtheit und Quellen) in der weiteren Evaluation belassen werden sollte. Aus ähnlichen Gründen sollte der wechselgelagerte Anhydrit auch für Endlager von hochaktiven Abfällen weiter untersucht werden. Seine mechanischen Eigenschaften sind für Bohrungen eher besser geeignet als diejenigen von Steinsalz und Ton; ausserdem ist das Bohren im Anhydrit und in den ihn begleitenden Gesteinen nicht so kostspielig wie im Granit. Für den wechselgelagerten Anhydrit gelten die gleichen Bemerkungen bezüglich Erwärmung und Bestrahlung wie für den massigen Anhydrit.

Veränderungen bei Temperaturerhöhung (Kapitel 5):

Wärmedehnung

Die Wärmedehnung von Anhydrit ist mit ca. 20 x l0-6/ °C grösser als diejenige der meisten anderen Gesteine. Temperaturerhöhungen können deshalb im Anhydrit relativ grosse Eigenspannungen erzeugen. In unmittelbarer Nachbarschaft von Wärmequellen kann es dann zu Rissbildungen kommen, wodurch die Durchlässigkeit des Gesteins zunehmen kann.

Gewichtsveränderungen und thermischer Zerfall

Gewichtsverluste des Anhydritgesteins infolge Erwärmung spielen erst ab 500 bis 600 °C eine grössere Rolle. Zum thermischen Zerfall von Anhydrit kommt es bei 1450 °C. Bei geeigneter Einlagerung der hochaktiven Abfälle bleiben die Felstemperaturen – teils dank der guten Wärmeleitfähigkeit des Anhydrits – stets erheblich unter 500 °C, so dass weder mit wesentlichen thermischen Gewichtsverlusten noch mit thermischer Zersetzung des Anhydrits gerechnet werden muss.

Wärmeleitfähigkeit (Kapitel 6):

Die Höhe des Temperaturanstieges im Wirtgestein infolge der Nachzerfallswärme der radioaktiven Abfälle hängt im stationären Fall hauptsächlich von der Wärmeleistung der eingelagerten Abfälle, von der Wärmeleitfähigkeit der Behälter- und Auskleidematerialien sowie des Wirtgesteins und von der Geometrie des Endlagers ab. Die Wärmeleitfähigkeit – speziell des Wirtgesteins – beeinflusst den Wärmestrom im stationären Fall linear. Sie ist deshalb für die Abführung der Nachzerfallswärme ausserordentlich wichtig. Die hohe und damit günstige Wärmeleitfähigkeit von Anhydrit (λ = 5,4 W/m °K) wird ausser vom Salz von keinem andern Wirtgestein übertroffen. Bei der Umwandlung von Anhydrit in Gips sinkt die Wärmeleitfähigkeit auf ca. 1,3 W/m °K ab (zum Vergleich: λ = 1,3 W/m °K für Ton, λ = 2,0 W/m °K für Kristallin).

Aufgrund der bekannten Wärmeleitfähigkeit von Anhydrit, der Zerfallswärmeleistung und der Geometrie des Endlagers können die maximalen Temperaturanstiege im Wirtgestein in Funktion der Abklingzeit ermittelt werden. Während für mittelaktive Abfälle eine Erwärmung von maximal einigen °C eintritt, muss bei den hochaktiven Abfällen je nach Lager- und Abfallkonfiguration eine stärkere Erwärmung erwartet werden. Diese Erwärmung muss selbstverständlich zu jener Gesteinstemperatur hinzugezählt werden, die entsprechend dem geothermischen Tiefengradient am Ort des Abfalllagers herrscht.

Quellverhalten (Kapitel 7):

Massiger Anhydrit

Massiger Anhydrit quillt dank der geringen Zutrittsmöglichkeit von Wasser nur schwach. Die Grössenordnung des Quellens von massigem Anhydrit liegt etwa im Bereich von schwach quellenden Mergeln. Für den Bau von Lagerkavernen für schwach- und mittelaktive Abfälle und ebenso von Schächten, Stollen und Tiefbohrun­gen für hochaktiven Abfall ergeben sich daraus keine Probleme. Ein vergleich mit Tongesteinen zeigt, dass diese ganz erheblich stärker quellen (Opalinuston!). Bei Kalken und Sandsteinen – solange diese keinen Mergel enthalten –, Steinsalz und Granit fällt das Quellproblem hingegen weg.

Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel

Der fallweise sehr stark quellende Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel wird – wie bereits erwähnt – für die Einlagerung schwachaktiver Abfälle nicht empfohlen, da oberflächennah andere, besser geeignete, nicht quellende Gesteine zur Verfügung stehen. Hingegen muss wie bei den Tongesteinen das starke Quellen von Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel für die Endlager von mittelaktivem Abfall in Kauf genommen werden, da diese Gesteine wegen ihrer meist kleinen Wasserdurchlässigkeit als gut geeignet erscheinen. Die in felsmechanischer Hinsicht unerwünschte Quellung des Anhydrits spielt nach der Versiegelung der Kavernen oder Bohrungen keine Rolle mehr. Sie kann mitunter sogar das Isolationsvermögen des Anhydrits durch Schliessen von Wasserwegen verbessern sowie die Festigkeit des Gesteinsverbandes erhöhen (siehe auch Kapitel 9, Wasserdichtheit).

Löslichkeit (Kapitel 8):

Die Gesteine können bezüglich ihrer Löslichkeit in drei Kategorien eingeteilt werden: Unlöslich sind beispielsweise Granite, Tongesteine, gewisse Sandsteine; schwachlöslich sind Kalke (ca. 1,6 g/l bei 20 °C) und Anhydrite (3,0 g/l bei 20 °C); stark löslich ist Steinsalz (360 g/l bei 20 °C). Im Gesamtrahmen aller Gesteine kann also die Löslichkeit der Anhydrite recht gut mit jener der Kalke verglichen werden. Bei Normaldruck ist Anhydrit bis zu einer Temperatur von 58 °C stärker löslich als Gips. Oberhalb 58 °C ist Gips besser löslich. Daraus folgt, dass sich bei Normaldruck und Süsswasserverhältnissen die Umwandlung von Anhydrit in Gips wie bereits erwähnt nur bis zu einer Temperatur von 58 °C abspielt.

Bei Lagerkavernen für schwachaktive Abfälle ist die Löslichkeit des Anhydrits weitgehend irrelevant, da in diesem Falle künstliche Barrieren für die Isolation der Abfälle sorgen sollen. Bei den Lagerkavernen für die mittelaktiven Abfälle bietet die Löslichkeit des Anhydrits etwas schlechtere Bedingungen, als im Kalk, Ton, Granit oder Sandstein erreicht werden. Für die Endlager von hochaktiven Abfällen nimmt Anhydrit unter allen vorgesehenen Wirtgesteinen eine MittelsteIlung zwischen den unlöslichen Graniten und Tongesteinen und dem viel löslicheren Steinsalz ein.

Wasserdichtheit (Kapitel 9):

Massiger Anhydrit

Anhydritformationen behalten ihre massige, rissefreie Ausbildung oft deshalb über geologische Zeiträume hinweg, weil sich der Anhydrit unter bestimmten Voraussetzungen bei Wasserzutritt in Gips umwandelt und sein Volumen dabei theoretisch um 61 % erhöht (Nachbildung im Labor möglich). Dies bewirkt, dass Risse, Spalten, Klüfte usw. geschlossen werden, wodurch die Anhydritformation auch nach der tektonischen Beanspruchung wieder wasserdicht wird. Dies konnte zum Beispiel für das Anhydritvorkommen Val Canaria im Stollen, mit Wasserabpressversuchen in Bohrungen und an Proben im Labor nachgewiesen werden. Deshalb wird die oft fast vollkommene Wasserdichtheit von massigem Anhydrit ähnlich günstig beurteilt wie jene von Steinsalz. In dieser Beziehung bietet massiger Anhydrit sehr gute Voraussetzungen für alle Lagertypen für schwach-, mittel- und hochaktive Abfälle.

Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel

Auch Anhydrit in Wechsellagerung mit Mergel ist – zum Beispiel verglichen mit Kalk – meist sehr undurchlässig.

Sorptionseigenschaften (Kapitel 10):

Werden Radionuklide in wässriger Lösung durch Poren und Risse von Gesteinen transportiert, so kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radionuklide gegenüber der Wassergeschwindigkeit durch Rückhalteeigenschaften der Gesteine wesentlich verringert werden. Die Sorptionsvorgänge in Gesteinen hängen von einer ganzen Anzahl von Einflussfaktoren ab: Korngrösse, Gehalt an Salzen und Verunreinigungen im Gestein, Aktivitätskonzentration, pH-Wert und Fremdionenkonzentration der Lösung und ferner das Verhältnis Wasservolumen zu Festkörpervolumen. Irreversible Prozesse, Temperatur und Druck spielen ebenfalls eine Rolle. Die Ausbreitungsverzögerung der Radionuklide gegenüber der Wassergeschwindigkeit wird durch den Verteilungskoeffizienten Kd charakterisiert.

In Laborversuchen wurden für Gips und Anhydrit schweizerischer Provenienz für verschiedene Nuklide die Kd-Werte bestimmt. Sie zeigen, dass das Sorptionsverhalten von Gips und Anhydrit etwa mit jenem von Granit, Kalk und Dolomit verglichen werden kann. Einige einzelne Untersuchungsergebnisse über das Sorptionsverhalten folgen:

  • Im Gips/Anhydrit-Milieu werden saure und basische Lösungen auf den pH-Wert 7 gepuffert, wodurch zum Beispiel Cer und Ruthen ausgefällt werden.
  • NaCl und niedrige pH-Werte verschlechtern das Sorptionsvermögen der Sulfatgesteine.
  • Cäsium wird in Anhydrit/Gips nur dank Mergel- und Tonverunreinigungen zurückgehalten.
  • Strontium wird scheinbar von reinem Anhydrit/Gips schlecht oder gar nicht absorbiert.

Verhalten bei Bestrahlung (Kapitel 11):

Schwach- und mittelaktive Abfälle

Ausgehend von der Nuklidzusammensetzung von verfestigten Harzabfällen, ist in den am stärksten exponierten Gesteinszonen bis zum vollständigen Zerfall aller Nuklide eine maximale Dosis von 6 × 105 rad zu erwarten (γ-Strahlung). Aufgrund dieser Dosis ist bei Anhydrit gemäss Laborversuchen weder mit einer gefährdenden Gasentwicklung noch mit einer Beeinträchtigung der Gesteinsfestigkeit zu rechnen.

Hochaktive Abfälle

Die Strahlenbelastung des Gesteins durch hochaktive Abfälle ist im Vergleich zu schwach- und mittelaktiven Abfällen um Zehnerpotenzen grösser. Für die umliegende Gesteinszone resultiert eine Dosis von rund 2 × 1010 rad. Daraus können beträchtliche Gasentwicklungen resultieren, welche die Bildung eines Knallgasgemisches ermöglichen. Durch die Bildung chemisch aggressiver Gase kann ausserdem die Korrosion am Abfallbehälter-Material erhöht werden. Ueber Festigkeitseinbussen von Anhydritgesteinen unter Strahlenbelastungen aus hochaktivem Abfall liegen noch keine Versuche vor.

Korrosion (Kapitel 12):

Aeltere Versuche im Gipsbergwerk Felsenau bestätigen, dass ein Gips/Anhydrit-Milieu – wobei meist auch Steinsalz anwesend ist – die Korrosion an Beton und Metallen erhöht. Während Sulfate betonaggressiv wirken, verursacht NaCl eine erhöhte Eisenkorrosion. 1977 hat die NAGRA in der Felsenau ein neues Versuchsprogramm eingeleitet, um die korrosive Wirkung des Gips/Anhydrit-­Milieus auf verschiedene Behälter- und Auskleidematerialien zu untersuchen. Die erste Rückholung von Proben nach einjähriger Versuchszeit ist bereits erfolgt, und die Auswertungen sind im Gange. Für hochaktive Abfälle müssen, wie bereits erwähnt, auch die korrosive Wirkung von radiolytisch gebildeten Gasen (Wasser­stoff, Chlor, Sauerstoff) und zudem die erhöhte Temperatur berücksichtigt werden.

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