Angenommen, durch ein Erdbeben entstehen 5 je 1 Meter breite und 10 Meter lange Risse vom geologischen Tiefenlager bis an die Erdoberfläche. Unter jedem Riss befinde sich in 600 Metern Tiefe je ein Endlagerbehälter mit HAA. Das Material trete nicht aus und komme nicht an die Erdoberfläche, aber der Schutz des Endlagerbehälters entfalle. Bitte informieren Sie uns über folgende Themen:
Gesamte Radioaktivität in Becquerel (Anzahl Atomkernzerfälle pro Sekunde) an der Oberfläche in Abhängigkeit von der Zeit: 10 Jahre nach Verschluss, 100, 1’000, 10’000, 100’000 und 1’000’000 Jahre nach Verschluss.
Aufgenommene Dosis in Milli-Sievert für einen typischen menschlichen Körper mit 80 kg Gewicht bei einer Aufenthaltsdauer von 1 Stunde 10 Jahre nach Verschluss, 100, 1’000, 10’000, 100’000 und 1’000’000 Jahre nach Verschluss in Abhängigkeit vom Abstand von den Rissen an der Oberfläche (10 m, 50 m, 100 m, 200 m, 1 km, 2 km, 5 km).
Vergleichen Sie die Werte aus b. für den Fall, dass sich eine Person während 1 Monat permanent im entsprechenden Abstand zu den Rissen aufhält
Zur Beantwortung der TFS-Frage 118 „Erdbeben“ verweist das ENSI in einem ersten Schritt auf die Rahmenbedingungen zum Umgang mit Störfällen und Szenarien in der Schweiz. Das der Fragestellung zugrunde liegende Szenario eines Erdbebens, welches ein geologisches Tiefenlager tangiert, erachtet das ENSI als mögliches, wenn auch seltenes Szenario. Deshalb hat der Projektant in der Sicherheitsanalyse ein solches Szenario zu berücksichtigen und dazu radiologische Auswirkungen zu berechnen. Die Nagra stellt die Ergebnisse der im Rahmen des Entsorgungsnachweises betrachteten „What if“-Fälle für den „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“ in ihrer Antwort vor. Die Ergebnisse der Nagra zeigen, dass in allen gezeigten Fällen das Dosismaximum unter dem behördlichen Schutzkriterium von 0,1 mSv/a und damit auch unter der Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide in der Schweiz bleibt. Die Antwort der Nagra wurde unabhängig vom ENSI erstellt. Das ENSI fasst in seiner Antwort die bereits bestehenden Antworten des Technischen Forums Sicherheit und Entsorgung zusammen.
Einleitung
Die TFS-Frage 118 „Erdbeben“ ist eine von zehn Fragen (TFS-Fragen 111 bis 120) desselben Fragestellers, welche losgelöst von jeglichen Eintretenswahrscheinlichkeiten, verschiedene theoretische Extrem-Ereignisse im Zusammenhang mit geologischen Tiefenlagern beim TFS eingereicht wurden. Gemäss vorliegenden Informationen erhofft sich der Fragesteller ein „vertieftes Verständnis der Gefährlichkeit radioaktiver Abfälle sowie ein Vergleich mit ähnlichen Ereignissen“ damit „die Wirksamkeit der diversen Schutzmassnahmen im Normalbetrieb bzw. im Ereignisfall zuverlässiger beurteilt werden können“.
Mit der Beantwortung der TFS-Frage 111 hat das ENSI bereits über die grundsätzliche Gefährlichkeit von radioaktiven Materialien informiert und dabei das Gefährdungspotential ausgehend von einem Brennelement auf der Wiese durch Direktstrahlung, das Abklingen der Aktivität von Brennelementen als Funktion der Zeit und die Einwirkung von Radioaktivität auf Mensch und Umwelt erläutert bzw. aufgezeigt.
Die Beantwortung der TFS-Fragen 111 bis 120 erfolgt unter den Rahmenbedingungen zum Umgang mit Störfällen und Szenarien in der Schweiz, d. h. die gesetzlichen Vorgaben für Störfallanalysen (Umgang mit Auslegungsstörfällen und auslegungsüberschreitenden Störfällen) für Kernanlagen sowie der Umgang mit übergeordneten Szenarien auf Ebene Bund durch KomABC (Eidgenössische Kommission für ABC-Schutz) und Bundesstab ABCN. Diese werden in der Antwort zur TFS-Frage 111 ausführlich erläutert.
Das ENSI beantwortet die eingereichten Fragen grundsätzlich basierend auf wissenschaftlich-technischen Fakten unter Einbezug
physikalisch-chemischer Stoffeigenschaften (d. h. dem Schadstoffpotential: Welche radioaktiven Stoffe liegen in welchen Mengen und in welcher Form (fest, flüssig, gasförmig, brennbar, nicht brennbar) vor);
möglicher Expositionspfade (Szenarien);
der entsprechenden Eintrittswahrscheinlichkeiten (d. h. mögliche Ereignisabläufe, in Kenntnis der vorherrschenden Randbedingungen wie z. B. Auslegung der Anlage, Inventar, Betriebsprozesse); sowie
der Einwirkungen auf die Schutzziele (Mensch und Umwelt, z. B. Strahlenexposition mit nennenswerter Dosis).
Dies erfolgt ähnlich wie bei Risikobetrachtungen in anderen Bereichen z. B. die Beurteilung des Gefährdungspotentials von Altlasten durch die Kantone, welche das Schadstoffpotenzial, das Freisetzungspotenzial und die Exposition und Bedeutung von Schutzgütern berücksichtigt.
Das vorliegende Szenario geht davon aus, dass ein geologisches Tiefenlager durch einen bis an die Erdoberfläche durchschlagenden Bruch (verursacht durch ein Erdbeben) tangiert wird und dabei die natürlichen und die technischen Barrieren beeinträchtigt werden. Den in der Fragestellung postulierten Ereignisablauf mit 1 m breiten und 10 m langen Rissen vom geologischen Tiefenlager bis an die Erdoberfläche erachtet das ENSI als unrealistisch. Das ENSI hält jedoch fest, dass eine Störung durch ein Erdbeben durch einen Lagerstollen in einem geologischen Tiefenlager grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden kann.
Die von der Nagra vorgeschlagenen Standortgebiete der Nordschweiz liegen in seismisch ruhigen Gebieten. Trotzdem ist über lange Zeiträume damit zu rechnen, dass auch Erdbeben mittlerer und grosser Stärke auftreten. Erdbeben können neue Wasserwege in Gesteinsschichten schaffen. Die Wahl eines geeigneten Wirtgesteins (beispielsweise des Opalinustons mit seinen Selbstabdichtungseigenschaften) und die Bauweise des Tiefenlagers (die Verwendung von abdichtenden Versiegelungs- und Verfüllmaterialien) bieten Gewähr, dass Mensch und Umwelt nicht durch die Auswirkungen eines Erdbebens auf das Tiefenlager geschädigt werden. Die Sicherheit eines geologischen Tiefenlagers beruht auf dem Konzept der gestaffelten passiven Sicherheitsbarrieren. Jede Barriere leistet dabei einen Beitrag zur Langzeitsicherheit. Das Konzept ist so angelegt, dass mehrfache Redundanzen bestehen müssen. Wird eine einzelne Barriere durch einen Vorgang in der Zukunft geschwächt, muss die Sicherheit des Tiefenlagers immer noch gewährleistet sein. Für die in der Frage angesprochenen sehr langen Betrachtungszeiträume müssen die möglichen Risiken, die von tektonischen Bewegungen ausgehen können, anhand einer systematischen Szenarien- und Sicherheitsanalyse qualitativ und quantitativ aufgezeigt und die Ergebnisse an den in der Richtlinie ENSI-G03festgelegten Schutzkriterien gemessen werden.
Im Rahmen des Entsorgungsnachweises hat die Nagra zum Test der Robustheit des Systems sogenannte „Was-wäre-wenn“-Fälle („what if cases“) betrachtet. Eines dieser Szenarien stellt der „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“ dar (z. B. NTB 02-05, Tab. 8.2-2, Seite 333).
Im Zusammenhang mit der Beantwortung der vorliegenden Frage wird ebenfalls auf die Antworten zu folgenden Fragen verwiesen:
In der vorliegenden Antwort verweist das ENSI bzgl. der Teilfrage a) auf die Antwort zur TFS-Frage 114, in der die gemittelte Radioaktivität von zwei Endlagerbehältern auf Basis der Angaben im NTB 14-04 näherungsweise abgeschätzt wird. Im Kontext der Fragestellung erachtet es das ENSI als zielführend, dass die Nagra ihre bereits für den Entsorgungsnachweis durchgeführten Berechnungen erläutert. Diese würden stellvertretend für die Teilfrage b) präsentiert. Für die Beantwortung der Teilfrage c) verweisen wir an dieser Stelle auf die Antwort zur TFS-Frage 111.
Kommentierung durch Fragesteller und weiterführende Fragen
Die Beantwortung der Fragen durch das ENSI basierend auf wissenschaftlich-technischen Fakten beinhaltete Prüfung und Kommentierung der Szenarien sowie hypothetische Rechenbeispiele und detailliertere Berechnungen. Im Rahmen der Kommentierung der Antworten zu denTFS-Fragen 111 bis 120 hat der Fragesteller festgehalten, dass mit den vorliegenden Antworten seine übergeordneten Fragen nach dem theoretischen Gefährdungspotential nicht oder nur teilweise beantwortet wurden. Entsprechend hat er im Rahmen der Rückmeldung fünf ergänzende Fragen (TFS-Frage 138 bis 142), losgelöst von Szenarien, eingereicht.
Beantwortet von Nagra
Einleitende Bemerkungen
Auf Anfrage des ENSI präsentiert die Nagra hier ihre im Rahmen des Projekts Entsorgungsnachweis durchgeführten Berechnungen zum Thema „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“. Die Antwort ist wie folgt gegliedert:
Einstufung der im Projekt Entsorgungsnachweis zum Thema „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“ analysierten Rechenfälle als „What if“-Fälle;
Konzepte und Parameterwerte;
Resultate;
Schlussfolgerungen.
1) Einstufung der im Projekt Entsorgungsnachweis zum Thema „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“ analysierten Berechnungen als „What if“-Fälle
Gemäss aktuellem wissenschaftlichem Verständnis kann die Bildung von neuen wasserführenden Freisetzungspfaden im Opalinuston durch Reaktivierung von existierenden Störungszonen oder durch Bildung von neuen Störungszonen aufgrund neotektonischer Vorgänge ausgeschlossen werden. Diese Aussage basiert auf einer Reihe von Beobachtungen; die Wichtigsten werden hier kurz zusammengefasst:
Beobachtungen an Störungszonen im Opalinuston wurden systematisch gesammelt und analysiert; z. B. in etwa 6’600 m Tunnelstrecke im Opalinuston (Strassen- und Eisenbahntunnel). Dabei wurden einige wenige Feucht- bzw. Tropfstellen im Zusammenhang mit Störungszonen in Streckenbereichen mit weniger als 200 m Überdeckung identifiziert; die Streckenbereiche mit mehr als 200 m Überdeckung zeigten keine solchen Feucht- bzw. Tropfstellen, auch nicht bei Störungszonen (Gautschi 2001). Zum Vergleich: In der Sondierbohrung Benken, welche im Rahmen des Projekts „Entsorgungsnachweis“ abgeteuft wurde, liegt die Mitte der ca. 100 m mächtigen Opalinustonschicht ca. 600 m unter Terrain.
Der sogenannte „Main Fault“ im Felslabor Mont Terri, eine grössere Störungszone im Opalinuston mit einer Mächtigkeit von ca. 1 m, zeigt in hydraulischen Tests keine erhöhte Durchlässigkeit im Vergleich mit dem umgebenden Opalinuston. Es wurden im Bereich dieser Störungszone auch keine signifikanten Mineralisierungen festgestellt, was auf sehr geringe Wasserflüsse auch in der geologischen Vergangenheit hinweist. Auch das Chlorid-Profil des Porenwassers, welches nur mit diffusionsdominiertem Transport von gelösten Spezies in der geologischen Vergangenheit erklärt werden kann, zeigt auch im Bereich des „Main Fault“ keine Anzeichen, welche auf advektiven Transport hinweisen würden (Mazurek et al. 2011).
Diese Beobachtungen können mit dem Selbstabdichtungsvermögen des Opalinustons erklärt werden (Bock et al. 2010), welches auch experimentell nachgewiesenen wurde (Bernier et al. 2007).
Im Sicherheitsbericht zum Projekt „Entsorgungsnachweis“ (NTB 02-05) wurden auch sogenannte „What if“-Fälle zur Illustration der Robustheit des geologischen Tiefenlagers analysiert, obwohl es keinerlei wissenschaftliche Grundlagen gibt, welche darauf hinweisen, dass solche Fälle effektiv auftreten könnten. Aufgrund der oben aufgeführten Argumente wurden auch die Rechenfälle, welche eine Radionuklidfreisetzung via hypothetische wasserführende Störungen im Opalinuston analysieren, als „What if“-Fälle eingestuft. Nachfolgend werden diese Rechenfälle vorgestellt.
Es wurde angenommen, dass im Bereich des geologischen Tiefenlagers bereits zum Zeitpunkt der Einlagerung eine vertikale Störung existiert mit einer konstanten Transmissivität von T = 10-10 m2/s (Parametervariation: 10-9 m2/s) bei einem aufwärts gerichteten, ebenfalls konstanten hydraulischen Gradienten von 1 m/m. Ferner wurde postuliert, dass alle 27 BE/HAA-Lagerkammern von der Störung betroffen sind, und zwar ein Behälter pro Lagerkammer; d. h. 22 BE-Behälter und 5 HAA-Behälter. Für den LMA-Teil des HAA-Lagers wurde angenommen, dass alle LMA-Lagerkammern betroffen sind. Die Radionuklidrückhaltung während dem axialen Transport in den Lagerkammern hin zur Störung wurde vernachlässigt und es wurde angenommen, dass das gesamte Inventar in einer Lagerkammer in die Störung freigesetzt wird (konservative Annahmen; d. h. solche, die die berechnete Radionuklidfreisetzung überschätzen).
Figur 118-1: Schematische Darstellung des 1. „What if“-Falles zum Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers
Hier wurde angenommen, dass zwei vertikale Störungen alle BE/HAA-Lagerkammern schneiden und jeweils zwei Behälter pro Lagerkammer betroffen sind; d. h. insgesamt 108 Behälter (88 BE-Behälter und 20 HAA-Behälter). Für die Transmissivität T der Störungen wurden zwei Parametervariationen untersucht (T = 10-10 m2/s und T = 10-9 m2/s).
Figur 118-2: Schematische Darstellung der alternativen „What if“-Fälle zum Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers (BE/HAA-Lagerkammern)
3) Resultate
Die Resultate für die betrachteten Rechenfälle sind in Tab. 118-1 zusammengestellt.
Tab 118-1: Resultate von im Rahmen des Projekts „Entsorgungsnachweis“ durchgeführten Berechnungen zum Thema „Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers“ – Die angegebenen Werte bezeichnen die Dosismaxima für die jeweiligen Rechenfälle (NTB 02-05, Tab. 7.10-1)
Die Bildung von neuen wasserführenden Freisetzungspfaden im Opalinuston durch Reaktivierung von existierenden Störungszonen oder durch Bildung von neuen Störungszonen aufgrund neotektonischer Vorgänge kann gemäss aktuellem wissenschaftlichen Verständnis ausgeschlossen werden (vgl. Abschnitt 1: Hydrogeologische Kartierung von über 6 km Eisenbahn- und Strassentunnels im Opalinuston, Diffusionsprofile im Felslabor Mont Terri, nachgewiesenes Selbstabdichtungsvermögen des Opalinustons). Trotzdem wurden im Rahmen des Projekts „Entsorgungsnachweis“ auch sogenannte „What if“-Fälle zum Radionuklidtransport entlang von hypothetischen wasserführenden Störungen im Bereich des geologischen Tiefenlagers untersucht, wobei vereinfachend und konservativ angenommen wurde, dass die Störungen bereits zum Zeitpunkt der Einlagerung existieren, und dass der (hypothetische) Wasserfluss in der Störung zeitlich konstant ist. Solche „What if“-Fälle dienen zur Illustration der Robustheit des geologischen Tiefenlagers, obwohl es keinerlei wissenschaftliche Grundlagen gibt, welche darauf hinweisen, dass solche Fälle effektiv auftreten könnten. Insgesamt wurden zu diesem Thema zehn Rechenfälle (vier für BE, vier für verglaste HAA, zwei für LMA) untersucht (vgl. Tab. 118-1). In allen betrachteten Fällen liegt das Dosismaximum (z. T. deutlich) unter dem behördlichen Schutzkriterium von 0,1 mSv/a und damit auch deutlich unter der natürlichen Strahlenbelastung in der Schweiz. Der höchste Wert von 0,011 mSv/a wird für den Fall einer Störung durch die LMA-Lagerkammern mit einer angenommenen Transmissivität von 10-9 m2/s erreicht. Der Grund dafür ist, dass bei den LMA-Lagerkammern der Grad der Kompartimentalisierung im Vergleich mit den BE/HAA-Lagerkammern geringer ist, d. h. bei den LMA wird angenommen, dass jeweils die gesamte Lagerkammer von der Störung betroffen ist. Bei den BE/HAA ist zudem der grösste Teil der Radionuklide in der Brennstoffmatrix bzw. in der Glasmatrix immobilisiert und wird nur sehr langsam im Gleichschritt mit der Matrixauflösung freigesetzt; d. h. die Mobilität der Radionuklide ist für die BE/HAA geringer.
Referenzen
Bernier, F., Li, X.L., Bastiaens, W., Ortiz, L., Van Geet, M., Wouters, L., Frieg, B., Blümling, P., Desrues, J., Viaggiani, G., Coll, C., Chanchole, S., De Greef, V., Hamza, R., Malinsky, L., Vervoort, A., Vanbrabant, Y., Debecker, B., Verstraelen, J., Govaerts, A., Wevers, M., Labiouse, V., Escoffier, S., Mathier, J.-F., Gastaldo, L. & Bühler, C. (2007): SELFRAC Final report – Fractures and self-healing within the excavation disturbed zone in clays. EURIDICE Report, EURATOM FIKW-CT2001-00182, EUR 22585. Euridice, Mol.
Bock, H., Dehandschutter, B., Martin, C.D., Mazurek, M., de Haller, A., Skoczylas, F. & Davy, C. (2010): Self-sealing of fractures in argillaceous formations in the context of geological disposal of radioactive waste – review and synthesis. OECD/NEA 6184, OECD Nuclear Energy Agency, Paris, 310 pp.
Gautschi, A. (2001): Hydrogeology of a fractured shale (Opalinus Clay): Implications for the deep disposal of radioactive wastes. Hydrogeol. J. 9, 97-107.
Mazurek, M., Alt-Epping, P., Bath, A., Gimmi, T., Waber, H.N., Buschaert, S., De Cannière, P., De Craen, M., Gautschi, A., Savoye, S., Vinsot, A., Wemaere, I. & Wouters, L. (2011): Natural tracer profiles across argillaceous formations. Applied Geochemistry 26, 1035-1064.
[2] Der Grund für die identischen Resultate für diese zwei Rechenfälle ist, dass in beiden Fällen das Dosismaximum durch den Beitrag der Freisetzung durch den Opalinuston und nicht durch die Störungen bestimmt wird (vgl. Diskussion in NTB 02-05, Kap. 7.7.3.1)
