a)

Das potenzielle Vorkommen mikrobieller Aktivitäten in einem geologischen Tiefenlager kann heute umfassend nachgewiesen werden. Dieses konsolidierte Verständnis, das zu einem Grossteil auf weitreichenden, im Felslabor Mont Terri sowie in internationalen Labors durchgeführten Experimenten beruht, wurde in Leupin et al. 2017 – «Fifteen years of microbiological investigation in Opalinus Clay at the Mont Terri Rock Laboratory» zusammengefasst. Der Bericht hob hervor, dass die Aktivität von Mikroorganismen im ungestörten Opalinuston äusserst gering ist, auch wenn durch Aushub, Kontamination und Bildung geeigneter chemischer Gegebenheiten günstige Bedingungen für mikrobielle Aktivität entstehen können. Dieses Verständnis basiert auf der Prämisse, dass die Verfügbarkeit von Raum, Wasser und Nährstoffen letztlich das Potenzial für mikrobielle Aktivität und die möglichen Stoffwechselarten bestimmt. Wenn eine dieser Voraussetzungen limitiert ist, schränkt dies das Potenzial für die Entwicklung mikrobieller Aktivität genauso ein, wie die potenziellen Auswirkungen auf die Langzeitsicherheit des geologischen Tiefenlagers.

Seit der Veröffentlichung des erwähnten Berichts wurden weiterführende Experimente durchgeführt, die dieses grundlegende Verständnis zusätzlich untermauert und damit die Robustheit unseres Kenntnisstands erhöht haben (wie erstmals in TFS-Frage 81 und der früheren TFS-Frage 50 erläutert). Darüber hinaus haben sich jüngste Experimente auf mikrobielle Aktivitäten konzentriert, die für die Langzeitsicherheit des Tiefenlagers von Bedeutung sein könnten. In diesem Zusammenhang ging es in erster Linie um (i) die Rolle der Bentonitverfüllung bei der Begrenzung einer mikrobiell beeinflussten Korrosion des Endlagerbehälters und (ii) den potenziell günstigen Beitrag der Mikroben zum Gasverbrauch. Diese Aspekte werden im Folgenden nacheinander behandelt, zusammen mit (iii) allgemeineren Beobachtungen hinsichtlich des geringen Potenzials für die Entwicklung von anderen mikrobiellen Gemeinschaften als diejenigen, die durch die physikalischen und chemischen Bedingungen ermöglicht werden.

i) Die mikrobielle Korrosion ist eingeschränkt.

Der wichtigste mikrobielle Prozess in Bezug auf die Korrosion des Endlagerbehälters für abgebrannte Brennelemente ist die Bildung von korrosivem Sulfid durch sulfatreduzierende Mikroorganismen (siehe Figur 174‑1 und den folgenden Text zur Erläuterung). Durch die Bereitstellung von Raum durch Aushubarbeiten sowie durch die Zufuhr von Sulfat (z. B. aus dem Porenwasser des Opalinustons) entsteht die Möglichkeit, dass Mikroben, die im ursprünglich ungestörten Opalinuston vorhanden sind oder mit der Bentonitverfüllung eingebracht werden, Sulfat in Schwefelwasserstoff umwandeln können. Für einen solchen Stoffwechsel ist ein Elektronendonor erforderlich, wobei die Zufuhr von Wasserstoffgas aus der anoxischen Korrosion des Endlagerbehälters am günstigsten und wahrscheinlichsten ist. Eine geringe Zufuhr von organischem Kohlenstoff könnte ebenfalls zu diesem Prozess beitragen. Im Rahmen der vorläufigen Lagerauslegung der Nagra wird jedoch erwartet, dass die mikrobielle Sulfidbildung innerhalb des Bentonitpuffers durch dessen Aufquellen eingeschränkt wird, was die Verfügbarkeit von Raum, Wasser und in gewissem Umfang auch die Sulfatzufuhr begrenzt. Weiterhin wäre der Transport von Sulfid zur Behälteroberfläche unter diesen Bedingungen diffusionsbegrenzt. Der Beitrag des Sulfidtransports zu den erwarteten Korrosionsraten wäre somit unerheblich.

Um solche Prozesse explizit zu beurteilen und die Stahlkorrosionsraten in verdichtetem Bentonit zu quantifizieren, wurde 2012 im Mont Terri-Projekt das IC-A-Experiment eingerichtet (Smart et al. 2017). Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Modulen konstruiert, die eine Auswahl von Kohlenstoffstahl-Testcoupons in verdichtetem Bentonit (mit verschiedenen Trockendichten) umfassen, welche in einem perforierten Aussenbehälter aus Edelstahl eingeschlossen wurden (um den Porenwasseraustausch zu ermöglichen). Diese Module wurden dann mehrere Jahre lang in einem anoxischen, wassergesättigten Bohrloch im Felslabor Mont Terri eingesetzt.

Analysen, die sich mit der Aktivität von Mikroorganismen innerhalb der Verfüllung befassen, deuten auf eine Begrenzung ihrer langfristigen Lebensfähigkeit in hochkompaktiertem Bentonit hin (Burzan et al. 2022). Bentonit enthält tatsächlich lebensfähige Organismen, die während der anfänglichen Sättigungsphase wachsen können, wenn geringe Mengen an Raum und Wasser zur Verfügung stehen. Ihre langfristige Lebensfähigkeit hängt jedoch von der Dichte des Bentonits und der Dauer ihrer Exposition gegenüber aufgequollenem Bentonit ab (nach vollständiger Sättigung und Reduktion des Porenraums). Das IC-A Experiment zeigt, dass bei den angestrebten Dichten (1.45 g/cm³) keine Hinweise auf mikrobielle Korrosion von Metalloberflächen in hochkompaktiertem Bentonit bestehen. Die Korrosionsraten sind vielmehr mit denen abiotischer Systeme vergleichbar, was darauf hindeutet, dass die im Porenwasser des Opalinustons vorhandenen Mikroorganismen nicht wesentlich zu den gemessenen Korrosionsraten beitragen (Hesketh et al. 2023). Dieses Ergebnis wird von mikrobiologischen Analysen bestätigt, die darauf hinweisen, dass die Hauptquelle von Organismen in der Bentonitverfüllung weder das Wirtgestein noch das Formationswasser, sondern der Bentonit selbst ist. Dies demonstriert die Robustheit der Bentonitverfüllung bei der Verhinderung der Vermehrung von Mikroben infolge von Aushubarbeiten, d. h. durch die Bereitstellung von Raum.

Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass, selbst wenn Mikroben in der Lage wären, unter solchen Bedingungen Sulfid zu erzeugen, dieses leicht mit (1) natürlichem Eisen im Opalinuston (Boylan et al. 2019), (2) natürlichem Eisen im Bentonit und (3) bereits korrodiertem Eisen an der Behälteroberfläche (Ma, J., Wersin, P. In prep.) reagiert.

ii) Der mikrobielle Gasverbrauch hat günstige Auswirkungen.

Das im Felslabor Mont Terri durchgeführte MA-Experiment (mikrobielle Aktivität) hat weitere Beweise für die Rolle von gasverbrauchenden Mikroorganismen im geologischen Tiefenlager geliefert. Dieses Experiment baute auf den Ergebnissen früherer Bohrungen auf, die zu sulfatreduzierenden Bedingungen tendierten, was auf die Aktivität von Mikroorganismen schliessen liess. Es wurde postuliert, dass in Abwesenheit von Sauerstoff durch Stahlkorrosion (z. B. aus Abfall oder Baumaterialien) erzeugtes Wasserstoffgas diesen Stoffwechsel ankurbeln und zu einer Verringerung der Gasansammlung beitragen könnte (Figur 174-2). Dieser mikrobielle Wasserstoffverbrauch wurde bei den Sicherheitsbeurteilungen im RBG noch nicht berücksichtigt. Die Sicherheitsbeurteilungen entsprechen somit auch bei diesem Aspekt einer konservativen Annahme, mit welcher die Auswirkungen der Gasakkumulation auf die Entwicklung im Tiefenlager und damit auf die Sicherheit überschätzt werden.

Um das Potenzial des Wasserstoffgasverbrauchs zu charakterisieren, wurde im Rahmen des MA-Experiments wiederholt Wasserstoffgas in ein Bohrloch im Felslabor Mont Terri injiziert. Es wurde beobachtet, dass das Bohrloch schnell sulfatreduzierend wurde, was durch DNA-basierte Beweise für Mikroorganismen untermauert wurde. Diese identifizierten sulfatreduzierenden Mikroorganismen sind in der Lage, Wasserstoff und Sulfat im Porenwasser des Opalinustons zu nutzen, um Schwefelwasserstoff zu erzeugen (Bagnoud et al. 2016a, Bagnoud et al. 2016b, Bagnoud et al. 2016c). Darüber hinaus gab es Hinweise darauf, dass eine Kohlenstofffixierung möglich war, wodurch, zusammen mit dem Kreislauf toter Biomasse, der Kohlenstoffbedarf wichtiger Mikroorganismen gedeckt werden konnte. Diese Experimente zeigen nicht nur, dass ein erheblicher mikrobieller Gasverbrauch möglich ist, sondern auch, dass die chemischen Bedingungen tatsächlich die vorherrschende mikrobielle Aktivität bestimmen und die mikrobielle Gemeinschaft prägen.

Dieser Nachweis wurde in einem Bohrloch erbracht, wo Raum und Wasser (sowie Nährstoffe) in ausreichender Menge verfügbar waren. Um die Wirksamkeit dieser Prozesse unter tiefenlagerähnlichen Bedingungen zu beurteilen, wurden in einem neuen Experiment (MA-A) Bioreaktoren mit einer porösen Sand- und Bentonit-Matrix verwendet. Dieses Material diente in diesen Experimenten als Annäherung an die Bedingungen in den verfüllten Lagerfeldzugängen (Rolland et al. 2024). Diese Bioreaktoren wurden mit Opalinuston-Porenwasser und Wasserstoff versorgt und zeigten einen hocheffizienten Wasserstoffverbrauch, der in erster Linie an die Sulfatreduktion gekoppelt war. Diese Bedingungen führten zur Selektion einer mikrobiellen Gemeinschaft, die zu diesem Stoffwechsel fähig ist (einschliesslich sulfatreduzierender Mikroorganismen), und es wurde beobachtet, dass die Sulfatzufuhr schlussendlich zum limitierenden Faktor wird. Eisenreduzierende Bakterien, die ebenfalls Wasserstoff verbrauchen können, wurden auch beobachtet, sowie Hinweise auf den weniger energiereichen methanogenen Stoffwechsel (Oxidation von Wasserstoff in Verbindung mit Kohlendioxidreduktion), sobald das Sulfat knapp wird.

Insgesamt deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass der mikrobielle Gasverbrauch sogar dazu genutzt werden könnte, die Wasserstoffakkumulation abzuschwächen.

iii) Abhängigkeit der Entwicklung einer mikrobiellen Gemeinschaft von vorherrschenden chemischen und physikalischen Bedingungen

Die neuen Erkenntnisse aus den oben beschriebenen Experimenten bestätigen die Robustheit des Verständnisses, dass die chemischen und physikalischen Bedingungen die Aktivität der Mikroben bestimmen, unabhängig davon, ob sie ursprünglich aus dem Opalinuston stammen oder als Folge des Ausbruchs, bzw. durch Bauarbeiten eingeführt wurden. Jüngste Untersuchungen zeigen beispielsweise, dass die einheimischen mikrobiellen Gemeinschaften des Opalinustons relativ homogen sind, jedoch eine sehr geringe Aktivität aufweisen (Mitzscherling et al. 2023). Es ist hinreichend etabliert, dass dies auf die geringe Porengrösse und die begrenzte Vernetzung der Poren zurückzuführen ist, die den Raum für die Entwicklung von Gemeinschaften und die Versorgung mit Wasser und Nährstoffen einschränken. Im ungestörten Gestein scheinen eisenreduzierende Bakterien gegenüber sulfatreduzierenden und methanogenen Mikroorganismen zu überwiegen. Bohrlochwässer hingegen weisen tendenziell eine geringere Vielfalt auf und werden von sulfatreduzierenden Bakterien dominiert, insbesondere wenn sie mit Wasserstoff angereichert sind (Bagnoud et al. 2016b). Dies bestätigt die Erkenntnis, dass die vorherrschenden Bedingungen sowie die Verfügbarkeit von Raum und Wasser die mikrobielle Gemeinschaft bestimmen. Ein weiteres Beispiel dafür sind die beiden Bohrlöcher, die die Bioreaktoren des MA-A-Experiments mit Opalinuston-Porenwasser versorgen. Das letzte Bohrloch, das unter sterilen Bedingungen gebohrt wurde und dauerhaft anoxisch geblieben ist, zeigt eine Gemeinschaft, die von anaeroben, sulfatreduzierenden Bakterien dominiert wird. Ein früheres Bohrloch, das nicht unter sterilen Bedingungen gebohrt und regelmässig Sauerstoff aus der Luft ausgesetzt wurde, zeigt eine vielfältigere Gemeinschaft, die aerobe Bakterien sowie weit verbreitete Pseudomonas-Arten umfasst. Nichtsdestotrotz ist jede Bohrlochgemeinschaft stabil und spiegelt die vorhandenen chemischen Bedingungen wider.

Wie vorgängig erwähnt, hat das IC-A-Experiment gezeigt, dass die Mikroorganismen, die sich während der anfänglichen Hydratations- und Quellphase im Bentonit entwickeln, aus der ursprünglichen Bentonitpopulation und nicht aus dem Wirtgestein stammen, bzw. durch dessen Porenwasser eingeführt wurden (Burzan et al. 2022). Dies zeigt, dass das Potenzial für die Entwicklung von mikrobiellen Gemeinschaften, die nicht durch die von den technischen Barrieren bestimmten physikalischen und chemischen Bedingungen beruhen, gering ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Experimente, die im letzten Jahrzehnt im Felslabor Mont Terri durchgeführt wurden, unser früher erworbenes Wissen weiter untermauern, und dies zudem mit grösserer Robustheit. Der Kenntnisstand der Nagra wird durch ihre Zusammenarbeit mit Experten an internationalen Konsortien und die Teilnahme an europäischen Forschungsprogrammen ständig verbessert. Zu den laufenden in situ und ex situ Untersuchungen gehört die Beurteilung der mikrobiellen Aktivität im Bentonit, einschliesslich der Erarbeitung eines mechanistischen Verständnisses und ergänzender Daten zur Langzeitkorrosion. Ebenso wird der mikrobielle Gasverbrauch unter verschiedenen Bedingungen untersucht, um die Robustheit dieses Prozesses stärker unter Beweis zu stellen. Während dieser günstige Prozess im Langzeitsicherheitsnachweis für das Rahmenbewilligungsgesuch noch nicht berücksichtigt wurde, haben zukünftige Sicherheitsbeurteilungen das Potenzial, wo angebracht, eine realistischere Abstraktion des mikrobiellen Gasverbrauchs einzubeziehen.

b)

Das vorläufige, dem Rahmenbewilligungsgesuch zugrunde gelegte Lagerdesign sieht vor, dass der Endlagerbehälter für abgebrannte Brennelemente und verglaste hochaktive Abfälle auf einem Sockel aus kompaktierten Bentonitblöcken gestellt wird, der von Bentonitgranulat umgeben ist.

Im hochkompaktierten Bentonit (Stroes-Gascoyne 2011) wird die mikrobielle Aktivität stark unterdrückt, so dass keine nennenswerten Mengen an mikrobiell erzeugtem Sulfid den Endlagerbehälter erreichen können. Eine angestrebte Trockendichte von 1,45 g/cm³ wurde daher festgelegt, um eine solche mikrobiell induzierte Korrosion (Leupin & Johnson 2013) zu begrenzen, und dieser Wert wurde in mehreren Experimenten validiert (z. B. Burzan et al. 2022).

Mehrere grossmassstäbliche Experimente haben gezeigt, dass eine Kompaktierung auf >1,45 g/cm³ erreicht werden kann. Dies wurde vor allem durch das Full-Scale Emplacement (FE)-Experiment im Felslabor Mont Terri (Köhler et al. 2015, Müller et al. 2017) explizit nachgewiesen. Bei den vorgefertigten Sockelblöcken wurde durch Kompaktierung problemlos eine Trockendichte von 1,78 g/cm³ erreicht. Die Sockelblöcke wurden anschliessend ins Felslabor geliefert und vor der Einlagerung einer Qualitätskontrolle unterzogen. Für das Bentonitgranulat wurde der Bentonit zunächst pelletiert, um seine Trockendichte über die endgültige Einlagerungs-Zieldichte hinaus zu erhöhen. Anschliessend wurden die Pellets in einem Mischer zerkleinert, um eine breite Korngrössenverteilung zu erzeugen, so dass grössere Poren zwischen grösseren Bentonitstücken mit feineren Körnern gefüllt werden können.

Für die Zufuhr des Bentonitgranulats wurde eine Verfüllmaschine entwickelt (Figur 174-3). Die Maschine besteht aus fünf horizontalen bis leicht geneigten Schneckenförderern, die nach Neigungswinkel gestaffelt sind und die Verteilung des Materials um einen zuvor eingelagerten Behälter ermöglichen. Die Schneckenförderer werden von einem Zuführwagen bedient, der vier «Big Bags» mit Bentonitgranulat enthält.

Die Maschine funktioniert so, dass die Schneckenspitzen innerhalb des sich kontinuierlich bildenden Bentonit-Böschung verbleiben und so einen Verfülldruck aufbauen. Dieser Druck treibt das Material nach oben und füllt dabei auch unregelmässige Hohlräume im Tunnelprofil. Vorzeigetests (Mock-Up-Tests) zeigten, dass mit dieser Konfiguration eine Schüttdichte von 1,53 g/cm³ erreicht wurde (eingelagerte Masse geteilt durch Tunnelvolumen), was deutlich über der angestrebten Trockendichte lag. Bei der Verfüllung des FE-Tunnels (bestehend aus drei Heizelementen) wurde eine durchschnittliche Verfülldichte von 1,49 g/cm³ entlang der Tunnels erreicht (Figur 174-4). Lokale Trockendichten in der Umgebung des Heizelements wurden mit höherer Auflösung durch dielektrische Profilmessungen (Figur 174-5) untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Ziel von 1,45 g/cm³ insgesamt erreicht oder übertroffen wurde. Wo dies nicht über das gesamte Querschnittsprofil hinweg der Fall war, lag die Dichte zur Behälteroberfläche hin typischerweise am oberen Ende der Skala, d. h. über dem Zielwert von 1,45 g/cm³. Die Durchführbarkeit der Verfüllung mit Bentonitgranulat im Massstab 1:1 wurde also im FE-Experiment erfolgreich nachgewiesen. Zusätzlich positiv war, dass die Durchführung ohne Pannen oder Unfälle erfolgte.

Mehrere andere Experimente lieferten weitere Beweise für die Fähigkeit, die angestrebte Trockendichte von Bentonitgranulat zu erreichen. Beim HE-E-Experiment in Mont Terri wurde beispielsweise die Verfüllung mit Bentonitgranulat um einen Heizkörper (der einen Endlagerbehälter darstellt) auf einem Sockel aus vorgefertigten Bentonitblöcken mit einer Trockendichte von 1,81 g/cm³ demonstriert (Gaus et al. 2014). Mit einer Mini-Verfüllmaschine wurde eine Trockendichte des MX-80-Bentonitgranulats von 1,46 g/cm³erreicht.

Das im Felslabor Grimsel durchgeführte HotBENT-Experiment ist ein im Grossmassstab angelegtes Heizexperiment, bei dem Bentonite aus Wyoming und Tschechien als Puffer verwendet werden (Schneeberger et al. 2022). Bei diesem Versuch wurde die gleiche Verfüllmaschine wie beim FE-Experiment in Mont Terri verwendet, allerdings wurde sie für die etwas kleinere Stollengrösse im Felslabor Grimsel modifiziert. Auch hier wurde in bestimmten Abschnitten des Versuchsstollens eine Verfülldichte von ≥1,45 g/cm³ erreicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verfülltechnik robust entwickelt und wiederholt demonstriert wurde.

Referenzen

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