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Frage 101: Lagerkonzepte: Grösse & Gewicht Endlagerbehälter für SMA

In seiner Stellungnahme zum Entsorgungsprogramm 2008 stellt der Kt Schaffhausen fest, dass das Lagerkonzept nicht von Sicherheitsüberlegungen, sondern von der heute vorliegenden Form der Abfälle vorgegeben wird. Er vertritt die Auffassung, dass der Eingriff in den Untergrund möglichst schonend zu erfolgen hat und die Verletzung des Wirtgesteins möglichst klein gehalten werden soll. Diese Auffassung vertritt auch der Kt Zürich.

Der Kt SH unterstützt deshalb die Empfehlung der Eidgenössischen Kommission für nukleare Sicherheit (KNS) nach einer grundsätzlichen und umfassenden Prüfung möglicher Lagerkonzepte unter Einbezug der Gebindegrössen (Gewicht, Anzahl, Verpackung) und der zur Lagerung vorgesehenen Materialien1.

Gemäss dem Inventar MIRAM 2008 (NTB-08-06) sollen in ein SMA-Lager zwei Typen von Endlagerbehältern eingelagert werden: (1) Mit 200l Fässer und Mosaik-II-Behälter befüllte LC1 mit 26m3 Volumen (nach Verfüllung mit Zement ca. 80 Tonnen Gewicht) und (2) LC2 mit 14.3 m3 Volumen. Für Behälter dieser Grösse sind Standardlagerkavernen K09 mit Dimension von ca. 8x13m und einer Ausbruchsfläche von 125 m2 vorgesehen. Grosse Hallen also, nach Angaben NAGRA (FG OFA 19. März) vergleichbar etwa mit dem Querschnitt des Galgenbucktunnels. Je grösser und schwerer die Endlagerbehälter, desto grösser und massiver fallen die untertägigen Strukturen eines Lagers und damit auch die Eingriffe/Risiken für das Wirtsgestein aus.

Im Felslabor Mont Terri läuft zurzeit ein Experiment, die Einlagerung von HAA-Endlagerbehälter zu demonstrieren. Dazu wurde eine 50m lange Galerie von „nur“ 2-3m Durchmesser ausgebrochen. Diese Galerie im Opalinuston hat sich nach Auskunft von P. Bossart unerwartet rasch verformt, so dass das Verlegen von Schienen zusätzliche Massnahmen erforderlich macht.

Deshalb stellen sich mit Bezug auf Gewicht und Grösse der SMA Endlagerbehälter LC1 und LC2 folgende Fragen:

  1. Sind im Mont Terri analoge Experimente für die Einlagerung vom SMA-Behälter in K09 Kavernen geplant um die bautechnische Machbarkeit des SMA-Lagerkonzepts im Massstab 1:1 zu demonstrieren?
  2. Welche Folgerungen ergeben sich aufgrund der beobachteten Opalinuston-Verformungen für die Rückholbarkeit auch von SMA Abfällen2
  3. Welche Aufträge hat das ENSI bereits erteilt um das vorgeschlagene Lagerkonzept auf Priorität Langzeit- und Betriebssicherheit und damit auf den schonenden Umgang mit Tongesteinen anstatt auf die  heute vorliegenden Form der Abfälle – und damit auf die erwarteten Entsorgungskosten auszurichten?
  4. Welche Massnahmen sind insbesondere bereits in Etappe 2 im Rahmen von Zwischenhalts Fachsitzungen oder der bauchtechnischen Risikoanalyse vorgesehen, um Lagerkonzepte, deren Sicherheit und Abhängigkeit von den geplanten resp.bereits verwendeten oder deutlich kleineren Gebindegrössen, wie von der KNS gefordert, umfassend zu überprüfen?

1 Endlagerbehälter SMA mit Zement verfüllen? pH im Opalinuston?

2 80t Behälter brauchen tragfeste Strukturen für die Rückholung.

Thema , Bereich
Eingegangen am 22. Mai 2013 Fragende Instanz O. Schwank, FG Si SR
Status beantwortet
Beantwortet am 29. August 2016 Beantwortet von , ,

Beantwortet von ENSI

Die früher vorgesehenen Behältercontainer LC1 und LC2 wurden von der Nagra durch zwei von den Massen und Gewichten her etwas kleinere Behältertypen LC-84 und LC-86 ersetzt. Diese Änderung kann die Handhabung der Container bei der Einlagerung erleichtern, sie hat aber aus Sicht des ENSI keine signifikante Änderung in der Lagerauslegung zur Folge. Da die Änderung alle Standortgebiete für ein SMA-Lager gleichermassen betrifft, ist der Einfluss auf die Einengung der Standortgebiete beschränkt. In der Verfügung des Bundesrates zum Entsorgungsprogramm 2008 war die angesprochene KNS-Empfehlung eingeflossen. Eine Auslegeordnung zum Lagerdesign und eine sicherheitsgerichtete Begründung, warum das Lagerkonzept so gewählt worden ist, werden von der Nagra daher spätestens im Entsorgungsprogramm 2016 erwartet. 

In MIRAM 2008 (NTB 08-06) waren für schwach- und mittelaktive Abfälle die Behältercontainer LC1 und LC2 vorgesehen. Diese Container sind bzgl. Masse und Volumen die grössten für das SMA-Lager vorgesehenen Behälter. In MIRAM 2014 (NAB 14-104) werden diese Behälter hingegen nicht mehr aufgeführt, sondern sind durch zwei von den Massen etwas kleinere Behältertypen LC-84 und LC-86 ersetzt. Während die ursprünglichen LC1-Container Gewichte bis 60 t gehabt hätten, ist zu erwarten, dass die neuen Behälter je nach Inhalt der eingelagerten Abfälle eher im Bereich von 20-30 t Gewicht haben.

Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass bereits ein dem Container LC1 in den Massen ähnlicher und vom ENSI bewilligter Abfallgebindetyp existiert und davon bereits 8 Behälter vorgefertigt wurden. Diese Behälter sind nicht in einem Zwischenlager eingelagert, sondern dienen aufgrund ihres sehr geringen radiologischen Inventars in den Beschleunigeranlagen des PSI als Abschirmung. Für diese Gebinde wird anstelle einer Einlagerung in das SMA-Lager ein Freimessen der aktivierten Materialien erwogen. Ebenfalls ist zur Vollständigkeit zu erwähnen, dass die LC1-Behälter nicht die schwersten aktuell vorhandenen Behälter darstellen. Mit den radioaktiven Überresten aus dem Versuchskernkraftwerk Lucens wurden zum Abtransport in das Zentrale Zwischenlager (ZZL) sechs Behälter gefüllt, die heute in der HAA-Halle des ZZL stehen. Der schwerste davon ist 87t schwer. Es ist vorgesehen, diese Behälter neu zu konditionieren, sobald die Annahmebedingungen für das SMA-Lager festgelegt sind.

Die KNS hatte in ihrer Stellungnahme zum Entsorgungsprogramm 2008 (NTB 08-01) die folgende Empfehlung formuliert: Die Lagerkonzepte sollen umgehend einer grundsätzlichen Überprüfung unterzogen und die entsprechenden Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit hoher Priorität bearbeitet werden. In die Überprüfung soll das gesamte Spektrum von machbaren Konzepten einbezogen werden, die dem EKRA-Konzept genügen. Die Ergebnisse der Überprüfung sollen den im Sachplanverfahren involvierten Fachgremien des Bundes und der Kantone zur Beurteilung unterbreitet werden. Das ENSI geht in der Beantwortung der Teilfragen c und d davon aus, dass sich die Fragesteller auf diese Empfehlung beziehen.

Die Teilfragen a und b werden von der swisstopo, die Teilfrage b von der Nagra und die Teilfragen c und d vom ENSI beantwortet.

c)

Wie oben ausgeführt, sind die genannten Grossbehälter LC1 und LC2 von der Nagra durch kleinere Behälter (LC-84, LC-86) ersetzt worden. Die Empfehlung der KNS wurde in gemeinsamer Abstimmung zwischen BFE, ENSI und KNS neu formuliert und in die bundesrätliche Verfügung zum Entsorgungsprogramm 2008 aufgenommen, gemäss dem die Nagra im Rahmen des Entsorgungsprogramms 2016 und folgender Programme die folgende Auflage (6.5) zu erfüllen hat: Die Nagra hat in den nächsten Entsorgungsprogrammen aufzuzeigen, dass sie nach aktueller Erfahrung und dem Stand von Wissenschaft und Technik alle notwendigen Vorkehrungen getroffen hat, damit die gesetzlich festgelegten Schutzziele beim Bau, beim Betrieb und nach dem Verschluss eines geologischen Tiefenlagers erreicht werden. Im Hinblick auf einen zusätzlichen Gewinn für die Sicherheit sind angemessene Optimierungsmassnahmen aufzuzeigen und zu prüfen. Die Angemessenheit ist dabei im Gesamtzusammenhang zu bewerten (d.h. unter anderem bezüglich Betriebssicherheit, Langzeitsicherheit, Transportsicherheit, Personendosen, Anfall neuer Abfälle, etc.). Gleichzeitig mit dem Entsorgungsprogramm 2016 wird durch die Nagra auch die Kostenstudie 2016 einzureichen sein, so dass allfällige Konsequenzen auf die Kosten sichtbar sind. Für das ENSI sind die Kosten jedoch nicht sicherheitsrelevant und werden daher nicht geprüft.

d)

Der Einfluss von Grösse und Gewicht der SMA-Behälter auf die Einengung der Standortgebiete in Etappe 2 SGT ist aus Sicht des ENSI beschränkt: (i) Für alle SMA-Standortgebiete gilt das gleiche Abfallinventar. (ii) Für alle SMA-Standortgebiete sind in Etappe 2 die notwendigen Zugangsbauwerke zu betrachten und dazu (gemäss ENSI 33/170) bautechnischen Risikoanalysen zu erstellen sowie die betrieblichen Risiken beim Transport der SMA-Behälter darzulegen. (iii) Bezüglich der Auslegung der Zugangsbauwerke sind keine signifikanten Einschränkungen durch die SMA-Behälter zu erwarten. Die neuen Behälter sind mit Blick auf deren Masse, Volumen und Gewicht kein „Quantensprung“. Damit ist bei den auf Grösse und Gewicht der Behälter zugeschnittenen Infrastrukturen (Tunnelquerschnitte, Auslegung Hebewerkzeuge) nicht mit einem signifikanten Sicherheitsgewinn zu rechnen. (iv). Kleinere Behälter bedeuten auch mehr Behälter, wodurch sich die Anzahl Transporte im geologischen Tiefenlager erhöhen.

Bezüglich der Kavernengrösse (K09 oder K04, vgl. Tab. A2.3-2 in NTB 08-05) ist festzuhalten, dass kleinere Kavernen auch grössere Lagerflächen benötigen. In diesem Sinne bedeuten kleinere Behälter zwar eine Entlastung der Hebewerkzeuge, können aber auch höhere Anforderungen an den Platzbedarf und die Anzahl der notwendigen Transporte stellen. Eine umfassende Auslegeordnung der Optionen und deren Einfluss auf die Sicherheit werden gemäss Auflage 6.5 (siehe oben) im Entsorgungsprogramm 2016 erwartet.

Referenzen

ENSI 33/170: Anforderungen an die bautechnischen Risikoanalysen und an ergänzende Sicherheitsbetrachtungen für die Zugangsbauwerke in Etappe 2 SGT. Aktennotiz, ENSI, Brugg, Januar 2013

NTB 08-01: Entsorgungsprogramm 2008 der Entsorgungspflichtigen. Nagra Technischer Bericht, Wettingen, Oktober 2008

NTB 08-05: Vorschlag geologischer Standortgebiete für das SMA- und das HAA-Lager: Begründung der Abfallzuteilung, der Barrierensysteme und der Anforderungen an die Geologie; Bericht zur Sicherheit und technischen Machbarkeit. Nagra Technischer Bericht, Wettingen, Oktober 2008

NTB 08-06: Modellhaftes Inventar für radioaktive Materialien MIRAM 08, Nagra Technischer Bericht, Wettingen, Juli 2008

NAB 14-104: Erläuterungen zur Verpackung radioaktiver Abfälle im Endlagerbehälter. Nagra Arbeitsbericht, Wettingen, Dezember 2014

Beantwortet von Nagra

a)

Die Nagra hat keine Experimente für die Einlagerung von SMA-Behältern geplant. Das Aufeinanderstapeln von Endlagerbehältern ist etablierte Technologie und auch die Verfüllung mit zement-basiertem Material bildet keine spezielle Herausforderung. Dazu braucht es keine Versuche im Felslabor Mont Terri.

Auch die Machbarkeit des Baus von Stollen und Tunnels ist technisch nachgewiesen. Dazu gibt es die verschiedensten Tunnels und Stollen im Mont Terri, wo auch der Autobahntunnel und der Sicherheitsstollen zu beachten sind.

Der Einfluss des Ausbruchs von Hohlräumen (Stollen, Tunnels, Lagerkammern) auf das Wirtgestein wird durch verschiedenste geomechanische Untersuchungen im Felslabor Mont Terri erfasst. Dazu gehören einerseits konventionelle Verformungsmessungen (Konvergenzmessungen der Hohlräume und Verformungsmessungen im Gestein mit Hilfe geomechanischer Instrumentierungen) und andererseits geophysikalische und geologische Verfahren zur Beschreibung der Entwicklung des Stollennahfeldes (seismische und elektrische Tomographie, Injektions- / Überbohrverfahren usw.). Besonderes Augenmerk gilt dem gekoppelten hydraulisch – mechanischen Verhalten des dichten Wirtgesteins. Dementsprechend liegen umfangreiche Daten zum Verformungsverhalten und zur Entwicklung der Auflockerungszone im Opalinuston vor. Zu nennen sind hier die Mont Terri Experimente EB, ED-B, EZ-A, EZ-G, FE, HG-A, MB, RM und VE. Schliesslich werden die Langzeitkonvergenzen im Rahmen verschiedener Experimente (CD, LP und LP-A Experimente) sowie der bautechnischen Überwachung des Labors kontinuierlich erfasst. Auch in Zukunft wird die Nagra sich an geeigneten geomechanischen Untersuchungen im Felslabor Mont Terri beteiligen.

P.S.: für das auf das HAA-Lager ausgerichtete FE-Experiment war die Prüfung der Einlagerung sekundär, aber sehr wertvoll. Hauptziel des FE-Experiments ist die Überprüfung des Systemverhaltens, insbesondere der Einfluss des Wärmeeintrags auf das stollennahe Wirtgestein.

b)

Die Verformungen im Opalinuston bilden für die Stabilität der SMA-Kavernen bei Beschränkung der Tiefenlage keine übermässige technische Herausforderung. Die für die Rückholung erforderlichen tragfesten Strukturen (z.B. Auflageflächen für Hebezeug, Fahrbahn für den Transport) sind technisch zuverlässig und sicher zu realisieren. Dazu gibt es zahlreiche Beispiele aus vergleichbaren Situationen.

Die Aussagen zur Stabilität der SMA-Kavernen stützen sich neben geotechnischen Berechnungen auch auf die umfangreichen praktischen Erfahrungen mit Tunneln im Opalinuston und in vergleichbaren Gesteinsformationen ab. Diese zeigen, dass bei geeigneter Auslegung und geeignetem Bauvorgang Querschnitte in der Grösse der SMA-Lagerkammern zuverlässig erstellt werden können. Dabei ist zu beachten, dass der Querschnitt (Form und Grösse) dieser Lagerkammern den standort-spezifischen Bedingungen angepasst werden kann und auch der Bauvorgang auf die standort-spezifischen Bedingungen ausgerichtet wird. Dabei werden auch die vor allem anfänglich beim Ausbruch zu erwartenden Verformungen explizit in die Auslegung der Lagerkammern mit einbezogen.

In einem Fachgespräch zwischen den Ingenieuren, auf die sich die Aussagen der swisstopo stützen, konnten die Fragen geklärt werden und insbesondere wurde geklärt, dass der modellhafte Querschnitt K09 den standort-spezifischen Gegebenheiten angepasst wird.

Für die Endlagerbehälter selber ist die Rückholbarkeit bei der Auslegung spezifisch zu beachten. Es ist sicherzustellen, dass die Festigkeit der Behälter genügend ist zur Gewährleistung der erforderlichen Integrität bis zum Zeitpunkt der Rückholung und dass auch eine genügende Festigkeit zur Aufnahme der Kräfte bei der Rückholung vorhanden ist. Die daraus erwachsenden Anforderungen könne gut erfüllt werden.

Aus Sicht der Nagra sind die nach dem Ausbruch des Querschnitts der Lagerkammern zu erwartenden Verformungen und die Stabilität der Lagerkammern bei Beschränkung der maximalen Tiefe durch die Auslegung gut beherrschbar, sodass die Beanspruchung der Endlagerbehälter in einem Rahmen bleibt, dass seine Integrität bei einer entsprechenden Auslegung gewährleistet ist. Bei Bedarf können dazu auch Deformationskörper eingesetzt werden. Die detaillierte Auslegung erfolgt nach Wahl der Standorte.

Die heute vorhandenen Tunnels im Opalinuston und in ähnlichen Gesteinsformationen zeigen, dass der Ausbau so erstellt werden kann, dass die Verformungen genügend klein bleiben und die Stabilität erhalten bleibt, sodass der Innenausbau der Tunnels auch über längere Zeit intakt bleibt.

c) und d)

Die Teilfragen c und d sind an die Behörde gerichtet; von der Nagra sind keine Antworten zu geben.

Beantwortet von swisstopo

a)

La réponse est „NON“. Actuellement, aucune expérience ne permet d’étudier le comportement de la roche et de la structure d’ouvrage lors de la réalisation de cavernes de type K09 destinées à accueillir les conteneurs standards définis pour le stockage des déchets faiblement et moyennement radioactifs.

Tous les aspects liés à la mise en place des conteneurs et à leur récupération, selon le principe de récupération des déchets défini par l’Ordonnance sur l’énergie nucléaire, ne sont pas étudiés dans le cadre des activités actuelles du laboratoire souterrain du Mont Terri et ne sont pour le moment pas prévues.

Des expériences de démonstrations, concernant non seulement la faisabilité techniques du concept de stockage mais également la «récupérabilité» (retrievability) des déchets radioactifs (HAA, SMA), devraient être entreprises dès que possible, et pas seulement sur le site du futur dépôt pilote. Le laboratoire souterrain du Mont Terri constitue une alternative très bien adaptée. On pourrait y affiner progressivement d’une part les techniques d’excavation et de construction de cavernes de grandes dimensions dans les argiles à Opalinus, et d’autre part le concept de récupération des déchets. Ainsi, les opportunités et les risques pourraient être clarifiés avant qu’ils ne se présentent comme éléments de fait accompli sur le site de stockage définitif.

b)

Déformations observées et mesurées dans le cadre des expériences faites dans le laboratoire MTP

Les expériences faites dans le cadre des activités du laboratoire souterrain du Mont Terri ont montré les fortes déformations de la roche sous l’effet de l’excavation de niches, de galeries ou de cavernes. Ces déformations sont influencées par le type faciès des argiles, le pendage de la roche et son orientation, par la géométrie du Profil d’excavation et par le type et le moment de la mise œuvre du soutènement et du revêtement.

L’expérience a montré que les galeries orientées selon une direction perpendiculaire au pendage de la roche présentaient une relative stabilité à moyen/long terme. L’influence du taux d’humidité de l’air et par-là celui de la roche a toutefois une influence sur le comportement des argiles non protégées. Par contre, les galeries excavées parallèlement au pendage ont rapidement présenté des instabilités liées à la redistribution des contraintes dans le massif, en relation avec la géométrie des sections. Le comportement de la roche induit des sollicitations importantes du soutènement/revêtement, d’autant plus si celui-ci est mis en œuvre rapidement après l’excavation. Ces sollicitations peuvent provoquer des déformations suffisamment importantes du soutènement/revêtement susceptibles de compromettre la récupération des conteneurs SMA.

Le profil K09 retenu par la Nagra pour la réalisation des cavernes de stockage présente un profil optimisé pour l’entreposage des conteneurs, mais relativement défavorable face aux sollicitations du massif et à la capacité structurale du soutènement/revêtement. La séance du 15/09/2015, qui a réuni à Brugg entre swisstopo et son mandataire GGT (groupe grands travaux de Delémont) et la Nagra accompagnée de son mandataire, a confirmé la nécessité d’une modélisation des sections retenues en vue de leur optimisation. Ce processus d’étude doit être poursuivi.

Plusieurs aspects doivent être considérés dans l’optimisation de la section et du soutènement/revêtement. On peut citer :

  • définition de la durée de vie de l’ouvrage et des exigences de sécurité
  • élaboration du phasage des étapes de réalisation
  • détermination du comportement de la roche d’accueil et estimation des déformations
  • mise à profit de l’expérience des ouvrages réalisés dans les mêmes formations (ex. tunnel autoroutier)
  • appréhension des problèmes de gonflement des argiles
  • étude de procédures d’exécution détaillées tenant compte des délais de mise en œuvre du soutènement
  • intégration de la méthode d’excavation et des étapes d’exécution dans la modélisation
  • influence des déformations du soutènement/revêtement sur la „récupérabilité“ des conteneurs SMA

Déduction des observations étendues au concept de récupération des déchets SMA

Le concept de stockage proposé par la Nagra prévoit l’entreposage en caverne de conteneurs en béton de dimensions standards. Ces conteneurs sont confinés par un remplissage des vides à l’aide d’un mortier granulaire perméable permettant la diffusion des gaz issus de la corrosion. Ce mortier est compressible et permet ainsi de limiter la transmission sur les conteneurs des contraintes dues à la déformation du soutènement/revêtement. La récupération ultérieure des conteneurs est prévue par désolidarisation de ceux-ci après déconstruction du mortier de remplissage.

La définition du concept final de récupération des conteneurs devrait se faire en deux étapes distinctes.

Tout d’abord par l’étude des détails constructifs et l’élaboration des procédures d’exécution:

  • définition des dimensions idéales des conteneurs
  • développement d’un mortier de remplissage présentant les caractéristiques attendues (résistance, déformabilité, porosité, composition chimique, comportement à long terme, …)
  • détermination des distances séparant les conteneurs en fonction des déformations attendues du soutènement/revêtement et des caractéristiques du mortier
  • élaboration des procédures d’excavation des galeries d’accès et de la caverne remblayée
  • mise sur pied d’un concept de surveillance de l’ouvrage et définition des mesures d’intervention nécessaire à garantir l’aptitude au service de l’ouvrage et la protection des personnes
  • détermination des techniques optimales de déconstruction du mortier de scellement, de désolidarisation des conteneurs et de manutention et de transport de ceux-ci
  • élaboration d’un concept de sécurité applicable durant toute la vie de l’ouvrage (programme de surveillance, mesures de sécurité et de maintenance, radioprotection, etc.)

Dans une deuxième étape, il semble fondamental de réaliser un essai de démonstration à l’échelle 1:1 dans les argiles à Opalinus. Cet essai en vrai grandeur permettra de vérifier les hypothèses et d’affiner la technique et les engins retenus avant que soit engagé à grand frais une réalisation en profondeur. Parmi les objectifs, on peut citer:

  • mesures des contraintes et déformations afin de vérifier les modèles de calcul
  • vérification des procédures d’exécution, des étapes et des cadences de réalisation
  • perfectionnement des techniques d’exécution et validation des détails constructifs
  • validation des coûts estimatifs

Conclusion

Actuellement, aucune expérience ayant pour but de démontrer la faisabilité technique du concept de stockage des déchets faiblement radioactifs en caverne de type K09 n’est prévue dans le cadre des activités du laboratoire souterrain du Mont Terri. Les expériences réalisées dans le laboratoire souterrain ont permis d’observer et de mesurer d’importantes déformations du massif rocheux et du soutènement mis en œuvre. Des mesures d’assainissement ont été nécessaires à plusieurs reprises. L’expérience acquise dans le laboratoire souterrain du Mont Terri doit être mise à profit pour concevoir des galeries et cavernes présentant des sections optimisées et des structures répondant aux exigences de „récupérabilité“ des conteneurs SMA. Dans cette optique, la réalisation d’un essai de démonstration à l’échelle 1:1 paraît fondamentale pour vérifier le concept de réalisation avant d’engager des montants importants dans une construction à grande profondeur.

Références

Technischer Bericht 98-04 “ Endlager für schwach- und mittelaktive Abfãlle am Standort Wellenberg“ (Nagra Oktober 1998)

Technischer Bericht 08-05 “ Vorschlag geologischer Standortgebiete für das SMA- und das HAA-Lager“ (Nagra Oktober 2008)