a)

Die Gewährleistung der Langzeitsicherheit nach Verschluss des geologischen Tiefenlagers hat bei der Entwicklung der Lagerprojekte oberste Priorität. Das Tiefenlager wird so ausgelegt und implementiert, dass nach seinem Verschluss keine weiteren Massnahmen zur Gewährleistung der Langzeitsicherheit erforderlich sind.

Ausbau der HAA-Lagerstollen

Der Ausbau der HAA-Lagerstollen muss das Gebirge nur in der operativen Phase stützen. Der Bentonit stützt das Gebirge nach Verfüllung des Lagerstollens. Entsprechend bestehen aus Sicht der Langzeitsicherheit keine Anforderungen bezüglich der Lebensdauer des Tunnelausbaus. Das Tunnelausbaumaterial soll aber chemisch kompatibel mit den angrenzenden Materialien sein, damit alle Elemente ihre jeweilige Sicherheitsfunktion langfristig wahrnehmen können.

Zum Zweck des Standortvergleichs und des Rahmenbewilligungsgesuchs wurden exemplarische Lagerprojekte erarbeitet. In dieser exemplarischen Umsetzung wurde für die HAA-Lagerstollen angenommen, dass sie mit einer Schild-Tunnelbohrmaschine (TBM) mit einem Tübbing Ausbau errichtet werden (siehe auch TFS-Frage 182). Die Hohlräume zwischen der Ausbruchssicherung und dem Wirtsgestein würden dabei mit einem Ringspaltmörtel verfüllt (Figur 170-1). Dies entspricht einer Weiterentwicklung des seit 2011 im Felslabor Mont Terri entwickelten Konzepts für den Ausbau der HAA-Lagerstollen. Dieser Ausbau und die gewählten Materialien erfüllen die Anforderungen und Auslegungsgrundsätze (Nagra 2023). Mit dem Entscheid für ein Kombilager am Standort Nördlich Lägern besteht nun die Möglichkeit, das Projekt an diesem einen Standort hinsichtlich der baulichen und betrieblichen Abläufe weiter zu optimieren. Kleinere Stollendurchmesser und der Einsatz anderer Materialien sind denkbar und werden im weiteren Verlauf des Verfahrens geprüft. 

Versiegelung der HAA-Lagerstollen

Das Versiegelungssystem der HAA-Lagerstollen soll hinsichtlich der Langzeitsicherheit zur Immobilisierung und Rückhaltung von Radionukliden beitragen und mit den weiteren Lagerkomponenten chemisch kompatibel sein.

Dem Standortvergleich und dem Rahmenbewilligungsgesuch wurde ein exemplarisches Versiegelungskonzept zugrunde gelegt (Nagra 2021). Um Radionuklide im HAA-Lagerbereich zurückzuhalten, sollen die Versiegelungselemente eine sehr geringe Permeabilität haben und Radionuklide sorbieren. Dies wird mit einem Bentonit, einem quellbaren Ton, erzielt, welcher durch das Aufquellen Hohlräume verschliesst und sich homogenisiert. Damit wird eine sehr geringe Permeabilität und entsprechend ein diffusiver Radionuklidtransport erreicht. Der Bentonit im Versiegelungselement sorbiert zudem die Radionuklide und immobilisiert diese entsprechend. In Bezug auf die Kompatibilitätsfunktion des Versiegelungssystems werden auch Materialien für dessen Bau verwendet, welche miteinander chemisch kompatibel sind und dadurch die Funktionsfähigkeit der Versiegelung langfristig gewährleisten. Hierfür werden in der beispielhaften Umsetzung die Betonwiderlager vom Bentonit Siegel mit einer Übergangsschicht abgetrennt. Des Weiteren soll die Versiegelungsstrecke auch das Gebirge langfristig stützen, um Tunnelkonvergenzen zu vermeiden. Diese Funktionen erfüllen die derzeit vorgesehenen konischen Widerlager und der quellfähige Bentonit in der Versiegelungsstrecke. Die Widerlager gewährleisten auch, dass die Siegelelemente trotz des sich aufbauenden Quelldrucks örtlich konstant bleiben. Dieses Konzept für die Versiegelung der HAA-Lagerstollen erfüllt die Anforderungen und Auslegungsgrundsätze an das Versiegelungssystem. Für die weitere Projektentwicklung werden nun noch einfachere Konzepte untersucht.

Insgesamt stehen geeignete Konzepte und Materialien zur Verfügung, um die HAA-Lagerstollen zu erstellen, zu sichern und zu versiegeln. Deren Weiterentwicklungen erfolgt im weiteren Bewilligungsverfahren projekt- und stufengerecht.

b)

Für die exemplarischen Umsetzung der RBG-Lagerprojekte wurden folgende Materialien angenommen: Tübbing-Beton für Fertigteile zur Stabilisierung der HAA-Lagerstollen, Ringspaltmörtel zur Verfüllung der Hohlräume zwischen diesem Ausbau und dem Wirtgestein und MX-80 Wyoming Bentonit zur Verfüllung der HAA-Lagerstollen.

Beispielzusammensetzungen für einen Tübbing, welcher die Festigkeitsklasse C60/75 erfüllt, und für einen Ringspaltmörtel sind in Nagra (2024b) Tab. 4-9 und Tab. 4-12 dokumentiert. Die Tübbing-Betonzusammensetzung enthält als Zementzuschlagsstoff Mikrosilika, was in Kombination mit dem tiefen Wassergehalt zu einem dichten Gefüge mit hoher Festigkeit des Betons führt. Die Menge an Mikrosilika in einer Mischung ist so bemessen, dass man einen «Tief-pH Beton» hat. Dies soll dazu beitragen, den chemischen Gradienten zwischen dem Tübbing und dem Bentonit zu reduzieren und somit das Wechselwirkungspotential zu verringern. Die Tübbinge würden als Fertigbauteile verbaut, wodurch keine Hydratationswärme an das Wirtsgestein abgeben wird. Zudem hat sich damit bereits vor dem Einbau der Portlandit Grossteils umgewandelt und sich ein «Tief-pH Beton» gebildet.

Zur Gewährleistung einer kompletten und kontinuierlichen Hohlraumverfüllung ist für die exemplarische Umsetzung ein volumenstabiler Ringspaltmörtel angedacht, welcher aber auch die operativen Anforderungen des Vortriebs erfüllt. Wiederum wurden dafür die Auslegungsgrundsätze der Langzeitsicherheit (Nagra 2023) miteinbezogen. Dieser Mörtel ist eine zement-basierte Mischung, welche aus Zement, Mikrosilika zur Portlanditreduktion, Kalksteinmehl als Füllstoff und Sand zur Volumengebung der Mischung bestehen. Zur Gewährung einer kompletten Hohlraumverfüllung soll diese Pump-Mischung sehr flüssig sein, was viel Wasser benötigt. Das Wasser wird hierfür über eine Bentonit Suspension zugegeben.  Der hohe Wassergehalt als auch der Einsatz von Füllstoff, welcher die Zementmenge reduziert, trägt zur Reduktion der Hydrationswärme bei. Im Vortrieb muss dieses Gemisch sehr schnell abbinden, damit es nicht hinausläuft und den Tübbing kraftschlüssig am Gebirge befestigt. Deshalb wird das Abbinden über einen Aktivator kontrolliert, welcher bei der Injektion an der Injektionsdüse zugemischt wird.  Dadurch bindet die Mischungen innert weniger 10er Sekunden ab (Martin et al. 2024).

c)

Der behördlich geforderte vollständige Einschluss der hoch aktiven Abfälle in den Kanistern muss gemäss der aktuell gültigen Richtlinie ENSI-G03 mindestens 1’000 Jahre betragen. Dies bedeutet, dass das Nahfeld seine volle Wirkung bereits entfaltet hat, wenn die Radionuklide aus dem Kanister freigesetzt werden können: Die Kanister sind abgekühlt, der Bentonit ist voll gesättigt und stützt das Gebirge und die Auflockerungszone um den Tunnel herum hat sich verschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Tunnelausbau längst degradiert und entsprechend werden aus Sicht der Langzeitsicherheit keine Experimente in 900 m Tiefe bezüglich des Materialverhaltens des Tunnelausbaus benötigt.

Das Tunnelausbaumaterial muss aber mit den angrenzenden Materialien chemisch kompatibel sein, damit alle Elemente ihre jeweilige Sicherheitsfunktion langfristig wahrnehmen können. Dies wurde bereits in der früheren TFS-Frage 7 zum Tunnelausbaumaterial adressiert. In ihrer Antwort darauf hatte die Nagra festgehalten, dass die langfristig potenziell unerwünschten Auswirkungen der Tunnelausbaumaterialien auf das Wirtgestein bereits in den Vorbereitungsarbeiten für den Entsorgungsnachweis im Jahr 2002 Gegenstand eingehender Untersuchungen waren. Bereits damals konnte die Nagra darlegen, dass die Auswirkungen auf den Opalinuston räumlich sehr beschränkt sind und die Eigenschaft des Wirtgesteins als effiziente Transportbarriere nicht beeinträchtigen. Trotzdem werden bereits seit 2005 im Rahmen von internationalen Forschungs- und Entwicklungsprogrammen diese Fragen, einschliesslich der möglichen Wirkung auf Bentonit, weitergehend untersucht.

Nachfolgend wird der aktuelle Stand der Untersuchungen dargelegt, die weiterhin belegen, dass die für den Tunnelausbau angedachten Materialien mit den angrenzenden Materialien (Bentonit und Opalinuston) chemisch kompatibel sind. Diese Experimente werden im Felslabor Mont Terri durchgeführt. Die Ergebnisse sind auf das Tiefenlager übertragbar, weil die chemischen Wechselwirkungen unabhängig von der Lagertiefe sind.

Die chemische Wechselwirkung zwischen dem zementbasierten Ausbau und den angrenzenden Barrieren (Bentonit und Opalinuston) ist ein Prozess, welcher experimentell untersucht wird und gut verstanden ist (siehe Appendix A S. A-9 in Nagra 2024a). Hierfür wurden im Rahmen vom Zement-Toninteraktionsexperiment (CI-Experiment am Mont Terri) seit 2009 Bohrlöcher im Opalinuston mit verschiedenen Zementmaterialien und Bentonit in Kontakt mit Zement verfüllt. Alle paar Jahre finden Überbohrungen statt, und Proben von Zement in Kontakt mit Opalinuston oder Bentonit werden entnommen. An diesen Proben werden dann Wechselwirkung zwischen diesen Materialien an den Grenzflächen untersucht (Jenni et al. 2014, Mäder 2017, Lerouge et al. 2017, Bernard et al. 2020, Yokoyama et al. 2021). Der chemische Hintergrund für diese Wechselwirkungen ist, dass die Zementporenlösung einen hohen initialen pH hat, und dies bildet einen starken chemischen Gradienten zum pH-neutralen Opalinuston respektive Bentonit. Durch Kleinstmengen von Porenwässer kommt es an den Kontaktzonen zwischen den angrenzenden Zement-Tonmaterialien zu Mineralauflösungen und Mineralneubildungen. Diese Mineralneubildungen an der Grenzfläche bewirken eine Reduktion des verbundenen Porenraums, was den Ionenaustausch zwischen dem Zement- und Tonmaterial (Bentonit, Opalinuston) reduziert und die chemischen Prozesse verlangsamt. Eine ausführliche Dokumentation über die Zement-Toninteraktion ist in Prasianakis et al. (2022) zu finden. Zentral ist, dass diese chemischen Wechselwirkungen in der frühen Phase während des Abbindeprozesses des Zements stark sind, jedoch nach der schnellen Ausbildung dieser Grenzfläche mit der verringerten Porosität stark abnehmen. Danach ist die Fortsetzung des Prozesses diffusiv und somit sehr langsam.

Resultate von Experimenten zur Zement-Bentonit-Wechselwirkung haben gezeigt, dass die Interaktionszone in den ersten ca. 5 Jahren bis zu 10 mm weit zur Auflösung kleiner Mengen einer Mineralphase (Kristoballit) führte und Mineralneubildungen (Mg-Phase) bis ca. 20 mm reichten. In den darauffolgenden 5 Jahren kam es kaum zu Veränderungen und keiner klar messbaren Fortsetzung der Reaktionsfront (Yokoyama et al. 2021). Im Bereich der chemischen Wechselwirkung zwischen Opalinuston und verschiedenen Zementen waren die Interaktionsbereiche in einer ähnlichen Grössenordnung (Siehe z.B. Jenni & Mäder 2021, Kosakowski et al. 2023, Prasianakis et al. 2022). Das geringe Ausmass dieser Reaktionszonen wird auch im Rahmen von Modellierungen vorhergesagt, wo solche Prozesse über tausende von Jahren extrapoliert werden. Diese Modellierungen laufen bis der chemische Gradient zwischen den Materialien ein chemisches Gleichgewicht erreicht hat und zum Stillstand kommt (siehe Nagra 2024b). Das geringe Ausmass solcher Interaktionszonen wurde selbst über geologische Zeiträume im Rahmen der Studien des natürlichen Zementanalogs in Maqarin (Martin et al. 2016) bewiesen.

Um die Wechselwirkungen zwischen dem Opalinuston und dem Ringspaltmörtel als auch mit dem Tübbing zu bestätigen, wurden diese Materialien im Rahmen des CI-Experiments 2023 in ein neues Bohrloch eingebracht. Das Material soll in den nächsten Jahren überbohrt, und die chemischen Wechselwirkungen dokumentiert werden. Es ist zu erwarten, dass diese Wechselwirkungen in der gleichen Grössenordnung wie bei den bisherigen untersuchten Zement-Ton Proben liegen.

Zusammenfassend können diese sehr beschränkten Reaktionszonen so erklärt werden, dass durch die Zement-Ton-Interkation die lokale Mineralauflösung und Mineralneubildung an der Grenzfläche die Porosität verringert. Dies führt an der Grenzfläche zu einem reduzierten Austausch von Ionen. Damit wird der Fortschritt der chemischen Wechselwirkungen fast gestoppt. Das ist der Grund, wieso Experimente, Modellierungen als auch Untersuchungen am natürlichen Zementanlog zeigen, dass diese Wechselwirkungszonen auf den Millimeter- bis Zentimeter-Bereich beschränkt sind. Da dieser Prozess also sehr lokal an der Randzone ist, führt dies folglich zu keiner relevanten Beeinträchtigung des Opalinustons oder des Bentonits. Damit werden deren Langzeitsicherheitsfunktionen durch diesen Prozess nicht beeinträchtigt.

Referenzen

Bernard, E., Jenni, A., Fisch, M., Grolimund, D. & Mäder, U. (2020): Micro-X-ray diffraction and chemical mapping of aged interfaces between cement pastes and Opalinus Clay. Applied Geochemistry 115, 104538. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2020.104538.

ENSI-G03: Geologische Tiefenlager, Eidgenössisches Nuklearsicherheitsinspektorat, Brugg, Dezember 2020.

Jenni, A. & Mäder, U. (2021): Reactive Transport Simulation of Low-pH Cement Interacting with Opalinus Clay Using a Dual Porosity Electrostatic Model. Minerals 11/7, 664. DOI: 10.3390/min11070664.

Jenni, A., Mäder, U., Lerouge, C., Gaboreau, S. & Schwyn, B. (2014): In situ interaction between different concretes and Opalinus Clay [PDF preprint]. Physics and Chemistry of the Earth 70-71, 71-83.

Kosakowski, G., Churakov, S.V., Glaus, M., Guillemot, T., Hummel, W., Kulik, D., Ma, B., Martin, L., Miron, D. & Prasianakis, N.L. (2023): Geochemical Evolution of the L/ILW Near-Field. Nagra Technical Report NTB 23-03.

Lerouge, C., Gaboreau, S., Grangeon, S., Claret, F., Warmont, F., Jenni, A., Cloet, V. & Mäder, U. (2017): In situ interactions between Opalinus Clay and Low Alkali Concrete. Physics and Chemistry of the Earth 99, 44256.

Mäder, U. (2017): CI Experiment: Planning of the 4th sampling campaign (2017) for 10-year-old interfaces of OPA with OPC/LAC/ESDRED concrete, MX-80 bentonite with OPC/LAC, and 2-year- old interfaces of OPA with Belgian super container concrete and Japanese HFSC. Unpubl. Mont Terri Technical Note. Mont Terri Project, Switzerland.

Martin, L., Leemann, A., Milodowski, A.E., Mäder, U.K., Münch, B. & Giroud, N. (2016): A natural cement analogue study to understand the long-term behaviour of cements in nuclear waste repositories: Maqarin (Jordan). Applied Geochemistry 71, 20-34.

Martin, L., Seidl, W., Kernbichl, S., Wieser, N., Bolliger, R. & Bizzozero, J. (2024): Development and Emplacement of an Annular Grout Envisaged for HLW Emplacement Drifts to Study Long-Term Interaction with Opalinus Clay. Abstract No. 131, 9th Clay Conference, Hannover (D), 25 – 28. Nov. 2024 (2024), online verfügbar unter https://doi.org/10.5281/zenodo.15071289.

Nagra (2021): Verschlusskonzept für ein geologisches Tiefenlager. Nagra Arbeitsbericht NAB 21-12 Rev. 1.

Nagra (2023): Bautechnisches Dossier Standortvergleich – Band 5: Nutzungsvereinbarung. Nagra Arbeitsbericht NAB 23-01 Band 5.

Nagra (2024a): Safety and Repository Concept and Provisional Design. Nagra Arbeitsbericht NAB 24-18 Rev. 1.

Nagra (2024b): The Geochemical Evolution of the HLW Repository Near-Field. Nagra Technical Report NTB 23-02 Rev. 1.

Prasianakis, N.I., Kosakowski, G., Gimmi, T., Luraschi, P., Miron, G.D., Pfingsten, W. & Churakov, S.V. (2022): Cement – Clay : Synthesis of transport across the cement-clay interface. Nagra Arbeitsbericht NAB 22-34.

Yokoyama, S., Shimbashi, M., Minato, D., Watanabe, Y., Jenni, A. & Mäder, U. (2021): Alteration of Bentonite Reacted with Cementitious Materials for 5 and 10 Years in the Mont Terri Rock Laboratory (CI Experiment). Minerals 11/3, 251.