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Arbeitsbericht NAB 14-98

Sensitivity study of gas release from a L/ILW repository – Comparison of the host rock formations in the candidate siting regions

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Im Hinblick auf die provisorischen Sicherheitsanalysen für Etappe 2 des Sachplans wird unter.sucht, ob in den verfüllten Lagerkavernen des SMA-Lagers durch Korrosion sowie Material.degradation und der damit verbundenen Gasbildung Gasdrücke entstehen können, die allenfalls die Barrierenwirkung des geologischen Tiefenlagers negativ beeinflussen könnten. Für die Beurteilung dieser Frage wurden numerische Modellanalysen zum Gasdruckaufbau und zur Gasfreisetzung nach Lagerverschluss durchgeführt.

Im vorliegenden Bericht werden Sensitivitätsstudien zur Gasfreisetzung für die verschiedenen Wirtgesteine in den vorgeschlagenen Standortgebieten durchgeführt. Die Simulationen erfolgen mit einem generischen 2-D-Modell einer Anordnung von 3 parallelen SMA-Lagerkammern. Der Schwerpunkt der Sensitivitätsstudien liegt auf dem Vergleich des Gasdruckaufbaus in den verfüllten Lagerkammern unter der konservativen Annahme, dass das Gas ausschliesslich über das Wirtgestein (d.h., nicht entlang der verfüllten Untertagebauwerke) freigesetzt wird. Der Vergleich des Gasdruckaufbaus in den verschiedenen geologischen Situationen erfolgt unter Berücksichtigung der wirtgesteinsspezifischen Referenzparameter zur Gastransportkapazität (Senger et al. 2013) anhand der Referenzwerte zur Gasproduktion gemäss Papafotiou & Senger (2014a). Folgende Lagersituationen werden untersucht: 

  • K09-Lagersystem im Opalinuston in 2 verschiedenen Tiefenlagen (500 m, 700 m). Die Resultate der Gasfreisetzungsmodellierungen werden auch mit den Ergebnissen der 3-D Modellierungen (Papafotiou & Senger 2014a) verglichen, um den Effekt der Gas.freisetzung entlang der Untertagebauwerke zu bewerten.
  • K09-Lagersystem im 'Braunen Dogger' in 2 verschiedenen Lagertiefen. Darüber hinaus wird der Einfluss der räumlichen Variabilität der hydraulischen Durchlässigkeit des 'Brau.nen Doggers' untersucht. In einem weiteren Rechenfall wird der Gasdruckaufbau in einem K04-Querschschnitt modelliert.
  • K09-Lagersystem in den Effinger Schichten mit und ohne tektonische Überprägung. Es wurden 4 Rechenfälle implementiert, um den Einfluss der räumlichen Variabilität tektoni.scher Störungen auf die Gasfreisetzung zur erfassen.
  • K09-Lagersystem in den Helvetischen Mergeln des Wellenbergs auf 3 verschiedenen Lagerniveaus (540, 400 und 200 m ü.M.) mit je 10 stochastischen Realisationen der hydrau.lischen Wirtgesteinseigenschaften. Weitere Simulationen wurden für den K04-Querschnitt durchgeführt.

Mit den Gasfreisetzungsmodellierungen wird die zeitliche Entwicklung des Gasdrucks und der Gassättigung in den Lagerkammern und im umgebenden Wirtgestein untersucht. Um die Ver.hältnisse in den verschiedenen Lagersituationen vergleichen zu können, wird hierzu der maxi.male Gasdruck in den Lagerkavernen normiert mit dem lithostatischen Druck auf Lagerebene. Der lithostatische Druck wird in der Literatur häufig als Indikator für die mechanische Schädi.gung des Gebirges herangezogen. Die vergleichenden Untersuchungen zeigen, dass für alle Rechenfälle der Gasdruck in den Lagerkammern unterhalb des lithostatischen Drucks und in den meisten Fällen unterhalb des Schwellendrucks für dilatanzkontrollierten Gastransport / pathway dilation (ca. 80% des lithostatischen Drucks) bleibt. Nur für die Situation einer K09-Lagerkaverne im 'Braunen Dogger' im Standortgebiet ZNO wird ein maximaler Gasdruck über dem Schwellenwert für pathway dilation modelliert. Die berechneten maximalen Überdrücke in den Lagerkavernen treten, für alle Lagersituationen vergleichbar, nach ca. 1'000 – 10'000 Jahren auf. Um den Gasüberdruck auch bei sehr geringer Durchlässigkeit des Wirtgesteins und / oder bei erhöhter Gasbildung gering zu halten, können die Gastransport.eigenschaften der Verfüll-und Versiegelungsmaterialien an die entsprechende Lagersituation angepasst werden ("Engineered Gas Transport System" – EGTS). Dies konnte in früheren Sensitivitätsstudien am Beispiel des Opalinustons gezeigt werden (Papafotiou & Senger 2014a).

Schliesslich ist zu erwähnen, dass die gasbildenden Materialien in den SMA-Lagerkavernen bei Bedarf deutlich reduziert werden könnten (z.B. Pyroloyse von Organika). Darüber wurden im Rahmen des aktuellen Forschungs-und Entwicklungsprogramm der Nagra umfassende Studien initiiert, um die Ungewissheiten bezüglich der erwarteten Gasgenerationsraten zu reduzieren und somit eine bessere Auslegung des EGTS zu ermöglichen.

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