Frage 120: Grundwassereinbruch und Trinkwasserverseuchung
Angenommen, zwischen dem Grundwasser und dem geologischen Tiefenlager entstehe zum Zeitpunkt des Lagerverschlusses eine 2 m breite, 10 m lange und 600 m tiefe Spalte, wodurch das geologische Tiefenlager mit einem Durchfluss von 1m3/s geflutet wird und ein permanenter Wasseraustausch zwischen dem geologischen Tiefenlager und dem Grundwasser entsteht. Bitte informieren Sie uns über folgende Themen:
Wie stark wird die Korrosion der Endlagerbehälter durch den Wassereinbruch beschleunigt? Nach wie viel Zeit treten die ersten radioaktiven Partikel ins Grundwasser aus?
Wie entwickelt sich die Radioaktivität von 1m3 Grundwasser an einer Fassungsstelle für Trinkwasser im Grundwasserstrom durch die Spalte in Becquerel (Anzahl Atomkernzerfälle pro Sekunde) als Funktion der Zeit und als Funktion der Anzahl der lecken Endlagerbehälter?
Beurteilen Sie die Werte aus b für den Fall, dass eine Person von 80 kg Gewicht während 1 Jahr täglich 3 Liter des Wassers aus dieser Trinkwasserfassung zu sich nimmt. Markieren Sie die Bereiche – mit „normalen“ Strahlenwerten, – mit Strahlenwerten innerhalb der Grenzwerte, – mit den Werten, bei denen Schäden auftreten und – mit den Werten, die tödlich wirken
Wiederholen Sie die Berechnungen aus a-c für den Fall, dass im geologischen Tiefenlager die Rückhaltebarrieren inexistent sind und das Grundwasser von Anfang an mit dem radioaktiven Material in Berührung kommt.
Welches sind die im Verlauf der Zeit die für die Kontaminierung des Trinkwassers neu auftretenden Isotope und wie ist deren chemische Giftigkeit (Toxizität)? Ist eine atomare Kettenreaktion zu befürchten?
Die Beantwortung der TFS-Frage 120 „Grundwassereinbruch und Trinkwasserverseuchung“ erfolgt unter Berücksichtigung von wissenschaftlich-technischen Fakten. Beim Kontakt von radioaktiven Abfällen bzw. Tiefenlagerbehältern mit Wasser ist eine Vielzahl von Prozessen zu beachten (Korrosion, Lösung, Transport), die unter anderem im Felslabor Mont Terri erforscht werden. Diese Prozesse sind Teil der Langzeit-Sicherheitsanalysen für geologische Tiefenlager. Das Multi-Barrierenkonzept ist ein grundlegender Pfeiler der Sicherheit.
Die Geschwindigkeit, mit der sich Tiefenlagerbehälter unter dem Einfluss von Feuchtigkeit bzw. Wasser zersetzen (korrodieren, umgangssprachlich „rosten“) hängt vom Behältermaterial und von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Mit einer angenommenen Auflösungsrate der Stahlbehälter von 0,001 bis 0,002 mm pro Jahr und einer Wandstärke der Behälter von 50 mm, ergibt sich z. B. eine Zeit von 25‘000 bis 50’000 Jahren, bis die Behälter undicht wären.
Mit den in der Fragestellung unterstellten Annahmen würden alle natürlichen und technischen Barrieren zwischen Brennstofftabletten und Trinkwasserkonsumation entfernt. Damit ergibt sich dieselbe Rechnung, die in der Antwort zu TFS-Frage 117 ausgeführt wurde: Für eine Person bei Konsumation während eines Jahres erhält man eine Dosis von 0,0008 mSv (das Schutzkriterium für geologische Tiefenlager beträgt 0,1 mSv/a).
Bezüglich möglicher kritischer Konfigurationen (Start einer ungewollten Kettenreaktion in den Abfällen) muss für alle Abfälle auch heute schon gezeigt werden, dass bereits im Ausgangsmaterial (Behälter für abgebrannte Brennelemente) keine Kritikalität eintreten kann, auch wenn Wasser hinzutritt.
Eine chemische Giftigkeit (Chemotoxizität) ist grundsätzlich gegeben. Sie ist gemäss der Verordnung vom 19. Oktober 1988 über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPV) zu untersuchen. Diese Untersuchung hat mit dem Rahmenbewilligungsgesuch zu erfolgen.
Einleitung
Die TFS-Frage 120 „Grundwassereinbruch und Trinkwasserverseuchung“ 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.
Die Beantwortung der TFS-Frage 120 umfasst mögliche Wechselwirkungen von Grundwasser mit Tiefenlagerbehältern (–> Korrosion) bzw. mit abgebrannten Brennelementen (–> Lösung), die Auswirkungen radioaktiver Substanzen im Trinkwasser (–> Dosis) und das Vorkommen von Zerfalls- und Spaltprodukten. Die Antwort beschränkt sich gemäss Vorabklärungen auf die Betrachtung abgebrannter Brennelemente (hochaktive Abfälle).
Aspekte des Strahlenschutzes werden in der Antwort zur TFS-Frage 111 (Versagen der Abschirmung der OFA) eingehender behandelt.
Bezüglich der Lösung radioaktiver Abfälle und der sich daraus ergebenden Strahlenbelastungen (Dosis) wird auf den engen Zusammenhang zur TFS-Frage 117 des TFS (Verseuchung des Rheins) verwiesen.
Zunächst ist festzuhalten, dass ein wesentliches Merkmal geologischer Tiefenlager darin besteht, dass schädigende Wirkungen radioaktiver Abfälle durch gestaffelte, passiv wirkende, technische und natürliche Barrieren (Mehrfachbarrierensystem) begrenzt oder ausgeschlossen werden (Fig. 120-1). Dieses wichtige Grundprinzip ist darum im Kernenergiegesetz, der Kernenergieverordnung, der Richtlinie ENSI-G03 und in der Strahlenschutzgesetzgebung verankert.
Figur 120-1: Gestaffelte, passiv wirkende, technische und natürliche Barrieren (Mehrfachbarrierensystem)
Korrosion der Behälter
Die Geschwindigkeit, mit der sich Tiefenlagerbehälter unter dem Einfluss von Feuchtigkeit bzw. Wasser zersetzen (korrodieren, umgangssprachlich „rosten“) hängt vom Behältermaterial und von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Die im gegenwärtigen Konzept vorgesehenen Stahlbehälter korrodieren schneller als z. B. Behälter mit Kupfermantel. Je dicker die Wände der Behälter sind, desto länger dauert es, bis die Behälter soweit zersetzt sind, dass die radioaktiven Abfälle nicht mehr vollständig darin eingeschlossen sind und in die Umwelt gelangen können. Selbst im Tiefenlager in mehreren Hundert Metern Tiefe ist mit dem Auftreten von Kleinstlebewesen (Mikroben) zu rechnen, welche die Korrosion als Katalysatoren beschleunigen können. Dort sind sogenannte anaerobe (= anoxische) Reaktionsbedingungen vorherrschend: Im Wasser ist dabei kein gelöstes Sauerstoff-Gas vorhanden, was die mikrobiell unterstützte Korrosion stark einschränkt. Im Tiefenlager ist aber grundsätzlich davon auszugehen, dass genügend Wasser für die Korrosion zur Verfügung steht, denn bereits der Wassergehalt feuchter Luft reicht dafür aus, und die umgebenden Wirtgesteine sind vollständig mit Wasser gesättigt (wassergefüllte Poren). Auch eine stark erhöhte Wasserzufuhr, wie im Beispiel der Fragestellung angedeutet, beschleunigt die Korrosion daher nicht weiter.
Mit zunehmender Zeit zerfallen die radioaktiven Abfälle, wodurch ihre Gefährlichkeit abnimmt. Der vollständige Einschluss der radioaktiven Abfälle ist daher vor allem während der Anfangszeit nach der Einlagerung so wichtig, dass das ENSI in seiner Richtlinie ENSI-G03 festgelegt hat, dass „im Sinne einer Optimierung der Langzeitsicherheit […] die Lagerbehälter für hochaktive Abfälle auf einen vollständigen Einschluss der Radionuklide während tausend Jahren ab deren Einlagerung auszulegen sind. Die Entsorgungspflichtigen haben die zeitliche Einschlussfähigkeit der Lagerbehälter aufzuzeigen.“
Mit einer angenommenen Auflösungsrate der Stahlbehälter von 0,001 bis 0,002 mm pro Jahr (anaerobe Rate gemäss NTB 12‑06) und einer Wandstärke der Behälter von 50 mm, ergibt sich z. B. eine Zeit von 25‘000 bis 50’000 Jahren, bis die Behälter vollständig aufgelöst wären. In den Sicherheitsanalysen müssen umfassende Rechnungen geführt werden, welche z. B. berücksichtigen, dass Materialfehler auftreten können und die Korrosion nicht gleichmässig verläuft.
Radioaktivität in einer Trinkwasserfassung
Hinsichtlich der Radioaktivität in einer Trinkwasserfassung über der in der Frage skizzierten Spalte lassen sich folgende konservative Annahmen festhalten:
Die Auflösung der Brennstofftabletten beginnt schlagartig (der Behälter und die Hüllrohre sind unmittelbar nach der Einlagerung vollständig zersetzt);
zwischen Lösung der radioaktiven Stoffe aus den Brennstofftabletten und der Entnahme in der Trinkwasserfassung vergeht keine Zeit, d. h. die Transportzeit innerhalb der Spalte ist vernachlässigbar klein gegenüber den Halbwertszeiten der betrachteten Stoffe. Das Wasser in der Spalte wird dabei vollständig durchmischt (d. h. die Stoffkonzentration ist überall gleich);
das Trinkwasser wird unverdünnt direkt aus der Spalte gefördert (d. h. es gibt keinen Beitrag von Wasser aus dem Grundwasserleiter);
der Wasserstrom durch die Spalte beträgt 2 m3/a, der Berechnung liegt die Menge an Brennstofftabletten zugrunde, die einem zersetzten Brennelement entspricht.
Mit diesen Annahmen wurden alle natürlichen und technischen Barrieren zwischen Brennstofftabletten und Trinkwasserkonsumation entfernt. Damit ergibt sich dieselbe Rechnung, die in der Antwort zu TFS-Frage 117 ausgeführt wurde: Für eine Person bei Konsumation dieses Wassers während eines Jahres erhält man eine effektive Inkorporationsdosis von 0,0008 mSv, also im Vergleich deutlich weniger als das Schutzkriterium für geologische Tiefenlager von 0,1 mSv/a.
Zerfallsprodukte und Kritikalität
Figur 120-2: Häufigkeit der Spaltprodukte am Beispiel von Uran-235 als Brennstoff
In Brennelementen des Reaktors bilden sich während des Reaktorbetriebs eine Vielzahl von Spaltprodukten (charakterisiert durch ihre Anzahl an Protonen und Neutronen) mit Massenzahlen zwischen ca. 76 und 158 (siehe Fig. 120-2). Die Häufigkeiten sind sehr unterschiedlich. Die Spaltprodukte können nicht weiter gespalten werden. Sie zerfallen jedoch weiter bis hin zu sehr unterschiedlichen stabilen Nukliden. Die Spaltprodukte und ihre Zerfallsprodukte sind verschiedene chemische Elemente mit unterschiedlichen Umwelteigenschaften. Diese Vielfalt stellt eine Herausforderung bei der Beurteilung der Langzeitsicherheit geologischer Tiefenlager dar. Zerfallsprozesse sind sehr gut bekannt und können auch rechnerisch sehr exakt beschrieben werden.
In einem Tiefenlager ist spaltbares Material viel weniger konzentriert vorhanden als in einem Kernreaktor. Die Lagerbehälter für verbrauchte Brennelemente sind geometrisch und materialmässig so ausgelegt, dass auch unter ungünstigen Voraussetzungen, wie beispielsweise bei Zutritt von Wasser, welches als Moderator für Neutronen wirkt und so eine Kettenreaktion begünstigt, keine sogenannt „kritische Anordnung“ resultieren kann. Dasselbe gilt für die Platzierung der Gesamtheit der Lagerbehälter im geologischen Tiefenlager. Für den Nachweis der Unterkritikalität wird konservativerweise von einem umgebenden wassergesättigten Medium ausgegangen und gezeigt, dass eine selbsterhaltende Kettenreaktion für die gewählte Anordnung der Lagerbehälter nicht zu erwarten ist. Im Gegensatz dazu werden in einem Kernreaktor die räumliche Anordnung der Brennelemente und die Eigenschaften der umgebenden Materialien so gewählt, dass eine kontrollierte Kettenreaktion statt findet.
In den Brennelementen bildet sich darüber hinaus eine begrenzte Anzahl von Nukliden aus dem Zerfall natürlicher instabiler Nuklide. Die stabilen Endprodukte sind 206Pb, 207Pb, 208Pb und 206Tl. Dieser Vorgang findet sowohl parallel zur Kernspaltung während des Reaktorbetriebs als auch danach (Zwischenlagerung, Tiefenlagerung) statt.
Eine chemische Giftigkeit (Chemotoxizität) ist grundsätzlich gegeben. Sie ist gemäss der Verordnung vom 19. Oktober 1988 über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPV) zu untersuchen. Diese Untersuchung hat mit dem Rahmenbewilligungsgesuch, also im Anschluss an das Sachplanverfahren zur Standortauswahl, zu erfolgen. Die zuständige Fachbehörde ist das Bundesamt für Umwelt (BAFU).
Bezüglich möglicher kritischer Konfigurationen (Start einer ungewollten Kettenreaktion in den Abfällen) muss für alle Abfälle auch heute schon gezeigt werden, dass bereits im Ausgangsmaterial (Behälter für abgebrannte Brennelemente) keine Kritikalität eintreten kann, auch wenn Wasser hinzutritt. Im Trinkwasser ist aufgrund der geringen Löslichkeit der in den Brennelementen vorhandenen Verbindungen mit spaltbaren Nukliden die Situation deutlich verbessert. Nur durch natürliche, geologische Prozesse, wie sie auch bei der Entstehung von Erz-Lagerstätten bekannt sind (Eindampfung in Meeresbecken, Ausfällung in Flussdeltas etc.), kann man sich eine Situation vorstellen, bei der es zu einer Kettenreaktion kommt – dies gilt allerdings auch für das auf der Erde natürlich vorhandene spaltbare Material. Aus der Erdgeschichte ist bisher ein einziger solcher Fall bekannt (Naturreaktor Oklo in Gabun, ca. 1‘500 Millionen Jahre alt), wobei damals das Isotopenverhältnis von 235Uran zu 238Uran wesentlich höher als heute war.
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.
Referenzen
NTB 12-06: Canister design concepts for disposal and spent fuel and high level waste, Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle, Nagra Technischer Bericht, Wettingen, 2012.
