Kompaktions- und Permeabilitätsverhalten von Salzgrus und Salzgrus-Bentonit-Gemischen als Versatzmaterial in einem Endlager für radioaktive Abfälle im Salinar

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.01.1993

Projektende: 30.04.2024

Projektstand: 07.03.2024

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Veranlassung und Ziel

Nach dem Abschluss der Einlagerung von Abfällen in einem Endlager für radioaktive Abfallstoffe oder eine Untertagedeponie im Salinar müssen Bohrlöcher, Strecken und Schächte verschlossen werden. Dabei muss durch geeignete Materialien eine langzeitlich sichere Abdichtung erreicht werden. Die Langzeitsicherheit im sogenannten Mehrbarrieren-Konzept ist durch numerische Berechnungen nachzuweisen, in denen die Baustoffe und das Wirtsgestein durch Stoffgesetze (konstitutive Gleichungen) abgebildet werden. Voraussetzung für die Aufstellung der konstitutiven Gleichungen sind eingehende Kenntnisse über das Materialverhalten unter den in situ herrschenden Bedingungen, mit denen eine zuverlässige und vertrauensvolle Prognose in den Berechnungen möglich ist.

Abb. 1: Laborprobe von Salzgrus und Calcium-Bentonit Quelle: BGR

Abb. 2: Streckenskizze / Behälter / Auflockerungszone (EDZ) Quelle: BGR

Da künstliche Materialien wie herkömmlicher Beton und Kunststoff unter salinaren Bedingungen nicht die erforderliche Stabilität über geologische Zeiträume besitzen, werden als Verfüll- und Verschlussmaterialien natürliche Materialien wie Salzgrus oder Bentonit eingesetzt. Artgleicher Salzgrus ist daher das bevorzugte Versatzmaterial in einem Endlager im Wirtsgestein Steinsalz. Abb. 1 zeigt eine Laborprobe beider Stoffe. Der beabsichtigte vollständige Einschluss der Abfälle ist aber erst gewährleistet, wenn der poröse Salzgrus durch das duktile Salzgestein und den Gebirgsdruck kompaktiert worden ist, seine Permeabilität wieder Werte wie die des Gebirges erreicht hat und als Langzeitbarriere gegen potentielle Radionuklidträger wirken kann. Mit wachsender Dichte des Versatzes erhöht sich sein Widerstand gegen das auflaufende Gebirge, was wiederum den Kompaktionsvorgang verlangsamt. In Abb. 2 ist der Vorgang anhand einer skizzierten verfüllten Einlagerungsstrecke erläutert.

Abb. 3: Salzgrus mit kompaktierter Probe Quelle: BGR

Der Versatzwiderstand hängt von mehreren Einflussgrößen ab, wie z. B. der Temperatur, der Kornverteilung, dem Feuchtegehalt und der Geschwindigkeit, mit der das Gebirge auf den Versatz aufläuft (Kompaktionsgeschwindigkeit). Es müssen die komplexen Vorgänge vom lockeren Salzgrus zum kompakten Festkörper, wie in Abb. 3 symbolisch dargestellt, simuliert werden. Hierzu werden seit 30 Jahren in der BGR Laboruntersuchungen im makroskopischen Maßstab durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse werden hier vorgestellt. Zwei Versuchsmethoden sind von der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) im November 2018 akkreditiert worden. Ziel ist die Erforschung des Kompaktions- und Permeabilitätsverhaltens und die Bereitstellung von optimalen Versatzrezepturen mit prognostizierbarem Materialverhalten.

Um den vollständigen Einschluss der radioaktiven Abfälle nachweisen zu können, sind fundierte Kenntnisse der bei der Versatzkompaktierung ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse erforderlich. Als zusätzlicher Schwerpunkt sind daher Gefügeuntersuchungen – vor allem im Restporositätsbereich des Materials – vorgesehen. Neben den klassischen Verfahren, z. B. Mikrostrukturuntersuchungen an Dünn- und Dickschliffen, sollen auch Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop und hochauflösende Computertomographie zur Porositätsanalyse zum Einsatz kommen.

Die BGR arbeitet an den Fragestellungen zu Salzgrus eng mit Kooperationspartnern zusammen. Dazu gibt es seit dem 1. Juli 2021 das Verbundvorhaben „KOMPASS 2“ mit einer Laufzeit von drei Jahren. Partner sind: BGEtec, Institut für Gebirgsmechanik Leipzig, Technische Universität Clausthal, Gesellschaft für Reaktorsicherheit sowie Sandia Laboratories (USA) und COVRA (NL).

Mehr Details zum Projekt (Download):

Kompaktions- und Permeabilitätsverhalten von Salzgrus und Salzgrus-Bentonit-Gemischen als Versatzmaterial in einem Endlager für radioaktive Abfälle im Salinar (PDF, 579 KB)

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH: Projekt KOMPASS. Compaction of Crushed Salt for the Safe Containment. Abschlussbericht (2020)

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH: GRS-751 KOMPASS-II Compaction of Crushed Salt for Safe Containment – Phase 2 (2024)

Literatur:

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