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Versuche in Felslabors

Versuche in Felslabors

Die Versuche in beiden Felslaboren liefern wichtige Erkenntnisse für den Bau des geologischen Tiefenlagers und zu dessen Langzeitsicherheit.

Tiefenlager optimieren: Grossversuch HotBENT

Hochaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente im Lagerstollen strahlen Wärme ab. Mit diesem Versuch im Felslabor Grimsel wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie warm es in einem Lagerstollen dereinst werden darf. Im Versuch wird die Wärme mit Heizelementen simuliert. Konkret untersucht wird das tonhaltige Material namens Bentonit. Mit ihm lassen sich die Stollen eines Lagers abdichten. Bentonit verhindert, dass fliessendes Wasser mit Atommüll in Kontakt kommt, und er hält den Atommüll im Lager zurück. Deshalb ist er eine von mehreren Sicherheitsbarrieren des Tiefenlagers.

Heizelement
Ein Heizelement wird in den Versuchsstollen eingefahren. Foto: © Comet Photoshopping, Dieter Enz

Der Name des Versuchs deutet bereits darauf hin, dass Bentonit erhitzt wird. Wird es dem Bentonit zu warm, besteht die Gefahr, dass er die Abfälle nicht mehr optimal einschliessen kann. Der Versuch wird zeigen, welchen Temperaturen der Bentonit sicher standhalten kann und was geschieht, wenn es noch wärmer wird. HotBENT wird die bestehenden Erkenntnisse zu Bentonit und zum Lagerdesign ergänzen.

Sichere Stollen für ein Tiefenlager bauen: TS-Experiment

«TS» steht für «Testen von Tunnelstützsystemen im Opalinuston».

Messungen
Messungen zum Verhalten des Stollenausbaus. Foto: © Comet Photoshopping, Dieter Enz

Für ein geologisches Tiefenlager braucht es Stollen im Opalinuston. Das Tongestein ist verformbar und stellt beim Stollenbau höhere Anforderungen an die Bautechnik als ein stabileres Gestein wie Granit. Wie die Stollen am besten erstellt und mit Stützmitteln gesichert und ausgebaut werden, untersuchen wir im jurassischen Felslabor Mont Terri.

Für das TS-Experiment wurden dort drei Stollenabschnitte im Opalinuston mit Stützmitteln in Form von Stahlbögen (siehe Fotos) und Spritzbeton erstellt. Das Experiment liefert Informationen zum Verhalten des Ausbaus und des Tongesteins beim Ausbruch eines Stollens im Opalinuston. Die Wissenschaftler wollen vorhersagen, wie und in welchem Mass Opalinuston auf äussere Einflüsse reagiert und wie robust der Ausbau ist, um dem Gebirgsdruck standzuhalten. Solche Informationen sind nötig, um den Stollenausbau in einem künftigen Tiefenlager zu berechnen.

Experiment zum Stollenausbau Felslabor Mont Terri
Einer der drei Stollenabschnitte des TS-Experiments: Stahlbögen sichern den Stollen gegen den Gebirgsdruck. Foto: © Comet Photoshopping, Dieter Enz

Gastransport in einem Tiefenlager untersuchen: GAST-Experiment

Durch Korrosion von Metallen und Abbau von organischem Material entstehen in einem verfüllten Tiefenlager Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan. Diese könnten sich auf eine der Sicherheitsbarrieren des Tiefenlagers auswirken, wenn der Druck zu hoch wird. Gas kann durch die Stollenwände ins umliegende Tongestein entweichen und es laufen Prozesse ab, die Gas verbrauchen. Es kann sich auch innerhalb der Lagerebene entlang der verfüllten Kavernen, Stollen und Tunnel ausbreiten, was einem Druckaufbau entgegenwirkt. Gasdurchlässige Stollensiegel erleichtern den Gastransport. Bildung, Abbau und Transport von Gas laufen sehr langsam ab und werden in mehreren Experimenten untersucht.

GAST-Experiment
GAST-Experiment: Testen eines gasdurchlässigen Versiegelungsbauwerks eines Lagerstollens für radioaktive Abfälle. Foto: © Comet Photoshopping, Dieter Enz

Beim GAST-Experiment im Felslabor Grimsel wird seit 2012 ein gasdurchlässiges Stollensiegel im Grossmassstab getestet. Die Versiegelung besteht aus einem Gemisch von Sand und Ton. Untersucht werden insbesondere das Sättigungsverhalten und der kontrollierte Gastransport durch das Verfüllmaterial in realistischer Umgebung. Zudem werden Erfahrungen dazu gesammelt, ob solche Versiegelungsbauwerke bautechnisch machbar sind.

FE-Experiment
Für das FE-Experiment wurden auch Sensoren auf den Heizelementen angebracht. Foto: © Comet Photoshopping, Dieter Enz

Auswirkung von Wärme auf die Sicherheitsbarrieren: FE-Experiment

Im «Full-Scale Emplacement»-Experiment (kurz FE-Experiment) im Felslabor Mont Terri werden praktische Erfahrungen für die spätere Tiefenlagerung von hochaktiven Abfällen gesammelt. Der 50 Meter lange Lagerstollen enthält drei Versuchsbehälter mit Heizelementen, welche die Wärmeabgabe der hochaktiven Abfälle und abgebrannten Brennelemente simulieren. Der Stollen wurde mit Bentonit-Granulat abgedichtet und verfüllt. Die Grössenverhältnisse sind gleich und die Arbeitsabläufe sind ähnlich wie in einem zukünftigen Tiefenlager für hochaktive Abfälle. Gemessen wird, wie sich Wärme auf die Stollenverfüllung aus Bentonit-Granulat und das umliegende Gestein, den Opalinuston, auswirkt.

Messtechniker haben den Stollen und das umliegende Gestein mit Hunderten von Messinstrumenten ausgestattet. Kleinste Veränderungen von Temperatur, Feuchtigkeit, Druck sowie Verformungen und Gaszusammensetzung im Bentonit-Granulat und dem umgebenden Gestein werden so untersucht. Pro Tag werden rund 1 Million Messwerte aufgezeichnet. Damit werden bestehende Computersimulationen und Modelle abgeglichen und es lassen sich Berechnungen für ein geologisches Tiefenlager durchführen. Mit dem FE-Experiment sammeln die Wissenschaftler zudem praktische Erfahrungen für den Einlagerungs- und Verfüllprozess in einem zukünftigen Tiefenlager.

Titelfoto: Maria Schmid

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