Frage 114: Geothermiebohrung ins Geologische Tiefenlager
Angenommen, das fertig verschlossene geologische Tiefenlager wird aus Versehen von einer Geothermiebohrung oder ähnlichem angebohrt. Dabei werde ein Loch von 10 m Durchmesser erstellt und das Material von zwei HAAEndlagerbehältern an der Oberfläche ungeschützt auf einen Haufen geworfen. Bitte informieren Sie uns über die folgenden Themen:
Gesamte Radioaktivität in Becquerel (Anzahl Atomkernzerfälle pro Sekunde) an der Oberfläche in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Anbohrung nach Verschluss (Zum Zeitpunkt der Anbohrung, 10, 100, 1‘000, 10‘000, 100‘000 und 1‘000‘000 Jahre nach dem Anbohren) und als Funktion des Zeitpunktes nach Verschluss des geologischen Tiefenlagers (10, 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 zum Zeitpunkt der Anbohrung bei einer Aufenthaltsdauer von 1 Stunde, wenn die Anbohrung 10, 100, 1’000, 10’000, 100’000 und 1’000’000 Jahre nach Verschluss erfolgt, in Abhängigkeit vom Abstand vom kontaminierten Bohrplatz (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 zur OFA aufhält
Zur Beantwortung der TFS-Frage 114 „Geothermiebohrung ins geologische Tiefenlager“ 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 mit dem versehentlichen Anbohren eines geologischen Tiefenlagers erachtet das ENSI als mögliches, wenn auch unwahrscheinliches Szenario. Folglich muss der Projektant dieses in der Sicherheitsanalyse „unbeabsichtigtes menschliches Eindringen“ berücksichtigen und dazu radiologische Auswirkungen berechnen.
Die Nagra stellt die Ergebnisse der im Rahmen des Entsorgungsnachweises betrachteten „What if“-Fälle für das Anbohren eines geologischen Tiefenlagers in ihrer Antwort vor. Zudem hat sie diese Berechnungen mit neuen ergänzt, um ein früheres Anbohren der Brennelement- und HAA-Lagerbehälter sowie des LMA-Lagerstollens nach dem Verschluss zu berücksichtigen. Insgesamt hat die Nagra 17 Fälle rechnerisch betrachtet. Die Ergebnisse der Nagra zeigen, dass in allen gezeigten Fällen die Exposition der Bevölkerung unter dem behördlichen Schutzkriterium von 0,1 mSv/a und damit auch unter der natürlichen Strahlenbelastung in der Schweiz bleibt. Die Berechnungen und Argumentation sind Teil der Antwort der Nagra, die unabhängig vom ENSI erstellt wurde.
Das ENSI informiert in seiner Antwort über die Aktivität von zwei HAA-Endlagerbehältern zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach dem Verschluss des geologischen Tiefenlagers. Diese Werte werden auf Basis von Nagra-Angaben abgeschätzt.
Einleitung
Die TFS-Frage 114 „Geothermiebohrung ins geologische Tiefenlager“ 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“.
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 sowie die Exposition und Bedeutung von Schutzgütern berücksichtigt.
Das vorliegende Szenario geht davon aus, dass ein geologisches Tiefenlager aus Versehen angebohrt wird (z. B. Geothermiebohrung) und dabei die natürlichen und die technischen Barrieren beeinträchtigt werden. Die ENSI hält fest, dass das Anbohren eines geologischen Tiefenlagers ein mögliches, wenn auch unwahrscheinliches Szenario darstellt. 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 das Anbohren eines geologischen Tiefenlagers dar (z. B. NTB 02-05, Tab. 8.2-2, Seite 333).
Gemäss Richtlinie ENSI-G03 muss der Projektant in der Sicherheitsanalyse beschreiben, welche Art von menschlichem Eindringen denkbar ist und welche radiologischen Auswirkungen ein unbeabsichtigtes Anbohren eines geologischen Tiefenlagers haben könnte.
Im Zusammenhang mit der Beantwortung der vorliegenden TFS-Frage 114 wird ebenfalls auf die Antworten zu folgenden Fragen verwiesen:
In der vorliegenden Antwort wird durch das ENSI die Teilfrage a) mit dem Verweis auf die Antwort zur TFS-Frage 111 beantwortet. Der in der Fragestellung postulierte Ereignisablauf mit dem Anbohren von zwei Endlagerbehältern mittels eines Lochs von 10 m Durchmesser erachtet das ENSI als unrealistisch. Der angesprochene Durchmesser für eine Bohrung könnte auch einem Minenschacht gleichgestellt werden. Im Kontext der Fragestellung erachtet es das ENSI als zielführend, dass die Nagra ihre bereits für den Entsorgungsnachweis durchgeführten Berechnungen erläutert. Die Berechnungen für den Entsorgungsnachweis wurden für mehrere Varianten des Anbohrens von BE-, HAA- und LMA-Behältern zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach dem Verschluss eines Lagers aufgezeigt. Diese werden stellvertretend für die Teilfrage b) präsentiert. Für die Beantwortung der Teilfrage c) verweisen wir auf die Antwort zur TFS-Frage 1194
a) Gesamte Radioaktivität in Becquerel durch Anbohren von zwei HAA-Endlagerbehältern
Der Zerfall der Aktivität eines gesamten Brennelements ergibt sich aus der Summe der Zerfälle der darin enthaltenen Nuklide. Typischerweise enthält ein abgebranntes Brennelement eine beträchtliche Zahl von Nukliden; für Störfallbetrachtungen wird von den ungefähr hundert wichtigsten Nukliden ausgegangen, welche in der Richtlinie ENSI-A08 aufgeführt sind.
Die gesamte Radioaktivität kann anhand der bekannten bzw. zu erwartenden radioaktiven Abfälle für ein geologisches Tiefenlager berechnet werden. Diese wird in TFS-Frage 111a) bereits gezeigt (MIRAM). Die aus der NAGRA-Publikation zu MIRAM stammende Fig. 114-1 zeigt die gesamte zu erwartende Aktivität sowie deren Radiotoxizität in Abhängigkeit der Zeit für die nächsten 1 Million Jahre.
Figur-114-1: Entwicklung des in der Schweiz erwarteten Nuklidinventars: Radioaktivität (links) und Radiotoxizität (rechts) für die MIRAM-Abfallkategorien ab 2050 gemäss MIRAM 08 (Figuren aus NTB 08-06) (BA: Betriebsabfälle (KKW, ZWILAG & MIF), SA: Stilllegungsabfälle (KKW, ZWILAG & Forschung), RA: Reaktorabfälle (KKW), WA: Wiederaufarbeitungsabfälle (KKW), BE: abgebrannte Brennelemente (KKW))
Der Fragesteller stellt sich das Szenario des Anbohrens von zwei HAA-Endlagerbehältern vor. Das ENSI erachtet das Anbohren von zwei HAA-Endlagerbehältern zur gleichen Zeit als unwahrscheinlich. Die Radioaktivität von HAA-Abfällen variiert stark (z. B. aufgrund des Nuklidinventars, des Abbrands etc.). Deshalb erachtet es das ENSI als zielführend, hier eine durchschnittliche Aktivität abzuschätzen, da einerseits die Endlagerbehälter unterschiedlich beladen sind und andererseits nicht bekannt ist, welche Endlagerbehälter angebohrt werden.
Die gemittelte Radioaktivität von zwei Endlagerbehältern kann auf Basis der Angaben im NTB 14-04 näherungsweise abgeschätzt werden. Die Gesamtaktivität der 13‘286 Gebinde (Anzahl HAA-Behälter gemäss NTB 14-04, Seite A-3) beträgt 1,94×1020 Bq. Die Radioaktivität des Gesamtinventars und die entsprechende durchschnittliche Aktivität von zwei Endlagerbehältern sind in Tab. 114-1 aufgelistet.
Tab-114-1: Angaben abhängig von Zeitpunkt des Anbohrens und Verschluss ab 2075
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 den TFS-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.
Im Zusammenhang mit der Frage 114 wird an dieser Stelle auf folgende ergänzenden Fragen verwiesen:
Auf Anfrage des ENSI informiert die Nagra hier ihre im Rahmen des Projekts „Entsorgungsnachweis“ durchgeführten Berechnungen zum Thema „Anbohren eines geologischen Tiefenlagers“. Die Nagra ist dieser Anfrage mit einer Präsentation mit dem Titel „Postulierte Bohrung ins geologische Tiefenlager“ – relevante Analysen aus dem Projekt „Entsorgungsnachweis“ nachgekommen (22. Sitzung des TFS). In der anschliessenden Diskussion wurde die Nagra gebeten, die im Projekt „Entsorgungsnachweis“ durchgeführten Rechenfälle, wo für den Fall „BE – Direct Hit“ als Zeitpunkt für das Anbohren 100’000 Jahre nach Einlagerung angenommen wurde, mit Berechnungen für frühere Zeitpunkte zu ergänzen. Solche Berechnungen wurden in der Zwischenzeit mit den gleichen Modellen und Daten wie im Projekt „Entsorgungsnachweis für die Zeitpunkte 100 Jahre, 1’000 Jahre und 10’000 Jahre nach Einlagerung“ durchgeführt; die Resultate werden in der vorliegenden schriftlichen Antwort präsentiert.
Die Antwort ist wie folgt gegliedert
Betrachtete Rechenfälle (BE / HAA / LMA)
Annahmen: Konzepte und Parameterwerte
Resultate
Schlussfolgerungen
1. Betrachtete Rechenfälle
Die Situationen für die betrachteten Rechenfälle sind schematisch in den Figuren 114-2 (BE / HAA) und 114-3 (LMA) dargestellt. Drei Typen von Rechenfällen werden betrachtet:
Das Bohrloch durchdringt einen BE/HAA-Lagerstollen zwischen zwei Endlagerbehältern (Fig. 114-2 (links), „Near Hit“)
Anbohren eines BE-Endlagerbehälters (Fig. 114-2 (rechts), „Direct Hit“)
Anbohren einer LMA-Lagerkammer (Fig. 114-3, „Direct Hit“)
Es wird ein Bohrloch durch das geologische Tiefenlager abgeteuft
Dadurch wird ein direkter Freisetzungspfad vom geologischen Tiefenlager (im Extremfall: von einem durchbohrten Behälter für abgebrannte Brennelemente) zur Biosphäre gebildet
Das Bohrloch durchdringt den gesamten Opalinuston bis zum Sandsteinkeuper (Annahme: regionaler Aquifer); vgl. Fig. 114-4
Das Innere des Bohrlochs ist im Bereich des Opalinustons von der Umgebung hydraulisch abgetrennt durch die Verrohrung
Während der Abteufung wird die Bohrspülung entsorgt
Nach erfolgter Abteufung wird die Bohrung aufgegeben und nicht versiegelt
Die Bohrung wird mit sedimentärem Schlamm gefüllt
Durchmesser Bohrloch: 10 cm; Durchmesser Auflockerungszone des Bohrlochs: 20 cm (vgl. Fig. 114-4)
Für die hydraulische Durchlässigkeit K der Auflockerungszone des Bohrlochs wird der jeweils gleiche Wert genommen wie für diejenige des Bohrlochs (konservative Annahme; d. h. in Realität ist die hydraulische Durchlässigkeit der Auflockerungszone des Bohrlochs sicher kleiner als diejenige im Innern des Bohrlochs)
Es stellt sich eine stationäre Strömung nach oben ein (Wasserfluss Q) Basisfall: Q = 10-2 m3/a entsprechend K = 10-8 m/s Bandbreite: Q = 10-4 bis 1 m3/a entsprechend K = 10-10 bis 10-6 m/s
Radionuklide, die ins Bohrloch gelangen, werden ohne weitere Rückhaltung direkt in die Biosphäre freigesetzt (konservative Annahme; d. h. in Realität ist die Freisetzung in die Biosphäre sicher geringer)
Annahmen zum Zeitpunkt des Abteufens des Bohrlochs
BE/HAA „Near Hit“: 10’000 Jahre nach Einlagerung (d. h. unmittelbar nach dem Ende des vollständigen Einschlusses der Radionuklide im Endlagerbehälter)
BE „Direct Hit“: 100’000 Jahre nach Einlagerung (Projekt „Entsorgungsnachweis“); dabei wurde die konservative Annahme getroffen, dass in der Zeitspanne zwischen dem Ende der Lebensdauer des Endlagerbehälters (10’000 Jahre) und dem Zeitpunkt des Anbohrens (100’000 Jahre) keine Radionuklide freigesetzt werden. Zusätzliche Rechenfälle aufgrund Diskussion in der 22. TFS-Sitzung vom 11. November 2014, siehe „Einleitende Bemerkungen“: 100 Jahre, 1’000 Jahre und 10’000 Jahre nach Einlagerung.
LMA „Direct Hit“: 500 Jahre nach Einlagerung
3. Resultate
Die Resultate für die betrachteten Rechenfälle sind in Tab. 114-2 zusammengestellt. Die Dosiskurven für die Fälle „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“ („Direct Hit“) zu den Zeitpunkten 100 Jahre, 1’000 Jahre, 10’000 Jahre und 100’000 Jahre nach Einlagerung sind in den Figuren 114-5a,114-5b, 114-5c und 114-5d abgebildet. Das Dosismaximum wird für den Fall „100 Jahre“ durch das Radionuklid 90Sr (Halbwertszeit 29 Jahre), in allen anderen Fällen durch das Radionuklid 99Tc bestimmt. Aufgrund der langen Halbwertszeit von 99Tc von 2,1 x 105 Jahren ist der Einfluss des radioaktiven Zerfalls auf die maximale Dosis von 99Tc für die betrachteten Zeitpunkte des Anbohrens gering. Die Spitze in den Dosiskurven unmittelbar nach Anbohren stammt von der sogenannten „Instant Release Fraction“ (IRF); d. h. von demjenigen Anteil gewisser Radionuklide im Inventar[2], von dem angenommen wird, dass er instantan ins Grundwasser freigesetzt wird, nachdem die Bohrung den Behälter getroffen hat. Vom restlichen Anteil dieser Radionuklide und von allen anderen sicherheitsrelevanten Radionukliden wird angenommen, dass sie im Gleichschritt mit der Auflösung der Brennstofftabletten freigesetzt werden. Die für die Berechnungen verwendete Auflösungsrate der Brennstofftabletten ist zeitabhängig (radiolytisches Brennstoffauflösungsmodell, siehe NTB 00-04); d. h. je früher das Anbohren erfolgt, desto grösser ist die initiale Auflösungsrate der Brennstofftabletten.
Tab. 114-2: Resultate von im Rahmen des Projekts „Entsorgungsnachweis“ durchgeführten Berechnungen zum Thema „Anbohren eines geologischen Tiefenlagers“, ergänzt mit den Resultaten von zusätzlichen Rechenfällen für das Anbohren eines BE-Endlagerbehälters („Direct Hit“) zu den Zeitpunkten 100 Jahre, 1’000 Jahre und 10’000 Jahre nach Einlagerung (Falls in der Tabelle nicht anders angegeben, gelten für die Zeitpunkte des Abteufens der Bohrung die in Abschnitt 2 aufgeführten Angaben. Die angegebenen Werte bezeichnen die Dosismaxima für die jeweiligen Rechenfälle aufgrund der Radionuklidfreisetzung aus dem Bohrloch.)
Es wurde ein breites Spektrum von Situationen zum Thema „Anbohren des HAA-Lagers“ betrachtet, mit insgesamt 17 Rechenfällen (zehn für BE, vier für verglaste HAA, drei für LMA). Dabei wurde auch der Einfluss des Wasserflusses durch das Bohrloch auf die berechneten Dosen innerhalb einer grossen Bandbreite von Wasserflüssen analysiert. Die für die Berechnungen getroffenen Annahmen wurden bewusst vorsichtig bzw. konservativ gewählt; d. h. so, dass die berechneten Dosen höher ausfallen als die für diese Fälle zu erwartenden Dosen. Dazu gehören die Annahmen, dass das Bohrloch nicht versiegelt wird, und dass Radionuklide, die ins Bohrloch gelangen, direkt in die Biosphäre freigesetzt werden. In allen betrachteten Fällen liegt das Dosismaximum für die Bevölkerung (z. T. deutlich) unter dem behördlichen Schutzkriterium von 0,1 mSv/a und damit auch deutlich unter der natürlichen Strahlenbelastung in der Schweiz. Dies gilt auch für die zusätzlich durchgeführten Rechenfälle zum Szenario „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“, wo angenommen wurde, dass ein BE-Behälter bereits nach 100/1’000/10’000 Jahren angebohrt wird. Im Vergleich zum im Projekt „Entsorgungsnachweis analysierten Rechenfall“, wo angenommen wurde, dass das Anbohren eines BE-Behälters erst nach 100’000 Jahren erfolgt, erhöht sich für den Fall „Anbohren bereits nach 100 Jahren“ die maximale Dosis für die Bevölkerung um den Faktor 21. Dazu ist festzuhalten, dass es aus Sicht der Nagra nicht plausibel ist, dass ein BE-Behälter, der noch vollständig oder partiell intakt ist, mit heutiger Bohrtechnik durchbohrt werden könnte, ohne dass dies bemerkt würde.
Figur 114-2: Schematische Darstellung der betrachteten Rechenfälle BE/HAA (aus NTB 02-05, Fig. 7.6-1)Figur-114-3: Schematische Darstellung der betrachteten Rechenfälle LMA (NTB 02-05, Fig. 7.6 1)Figur-114-4: Schematische Darstellung eines ins geologische Tiefenlager abgeteuften Bohrlochs (ergänzte Fig. 7.4-4 aus NTB 02-05)Figur-114-5a: Dosiskurven für den Fall „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“ („Direct Hit“) zum Zeitpunkt 100 Jahre nach EinlagerungFigur-114-5b: Dosiskurven für den Fall „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“ („Direct Hit“) zum Zeitpunkt 1’000 Jahre nach EinlagerungFigur-114-5c: Dosiskurven für den Fall „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“ („Direct Hit“) zum Zeitpunkt 10’000 Jahre nach EinlagerungFigur-114-5d: Dosiskurven für den Fall „Anbohren eines BE-Endlagerbehälters“ („Direct Hit“) zum Zeitpunkt 100’000 Jahre nach Einlagerung
[2] Die wichtigsten Radionuklide mit einem IRF-Anteil für die hier analysierten Rechenfälle sind 90Sr, 137Cs, 99Tc, 129I und 14C. Alle anderen Radionuklide mit einem IRF-Anteil tragen deutlich weniger zur Dosis bei (für eine vollständige Liste der Radionuklide mit einem IRF-Anteil, siehe NTB 02-05, Tab. A2.2.1).
[3] im Vergleich zum Basisfall mit Q = 1E-02 m3/a (siehe Abschnitt 2)
[4] Zusätzlich durchgeführte Rechenfälle (nicht in der Dokumentation zum Projekt „Entsorgungsnachweis“)
