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Frage 7: Verwendung von Beton zur Stabilisierung

Tiefer gelegene Opalinustonschichten scheiden gemäss Nagra aus, da die Stollen ab einer gewissen Tiefe mit Beton stabilisiert werden müssten und Beton ungünstige chemische Eigenschaften für ein Endlager aufweisen.

  1. Ist die Notwendigkeit der Stabilisierung mit Beton Stand der Technik oder Stand der Wissenschaft? Besteht in der Fachwelt Einigkeit über diese Notwendigkeit oder gibt es andere Möglichkeiten die bauliche Sicherheit der Anlagen zu garantieren?
  2. Es fällt auf, dass beim oberflächennahen Felslabor Mont Terri Spritzbeton verwendet wurde. Kann bei geringeren Tiefen die Notwendigkeit von Betoneinsatz ausgeschlossen werden?
  3. Sind das jetzt vorgesehene Füllmaterial (zur Verfüllung der Stollen bei Verschluss) sowie andere Materialien, welche im Untergrund verbaut werden sollen hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften unproblematisch?
Thema Bereich
Eingegangen am 18. Juni 2009 Fragende Instanz LK Waldshut
Status beantwortet
Beantwortet am 26. März 2010 Beantwortet von ,

Beantwortet von EGT (ehem. KNE)

Das Ausbaukonzept der Nagra für HAA-Tiefenlager besteht gemäss NTB 08-04 im intakten Gestein aus Ankern und Netzen (Kopfschutz). In tektonisch stärker beanspruchten Gebieten und/oder Formationen mit deutlich herabgesetzter Gesteinsfestigkeit sind Zusatzmassnahmen, bestehend aus einer gering mächtigen Spritzbetonlage aus niedrig-pH-Zement sowie ein verstärkter Sohlausbau, vorgesehen (NTB 08-04). Untersuchungen der ETH, welche im Rahmen der Überprüfung des Sachplans Etappe 1 ausgeführt wurden, kommen zum Schluss, dass die vorgesehenen Tiefenlagen (Mindestanforderung an die maximale Tiefenlage aus bautechnischer Sicht < 900 m u.T.; Verschärfte Anforderungen in der östlichen Subjurassischen Zone < 800 m u.T.) für den Opalinuston mit diesem Ausbaukonzept nicht realisierbar sind (Expertenbericht Amann & Löw 2009). In der Folge hat die Nagra in NAB 09-07 neue alternative Ausbaukonzepte vorgelegt. Diese Ausbaukonzepte umfassen:

  • Kurze Felsanker mit Kopfschutz (Netz) ohne gebirgsstützende Wirkung
  • Systemankerung aus geneigten Kurzankern mit schnell wirkenden, kurzen Felsankern (Reibrohranker; L=1.8 m) hinter dem TBM  Kopf versetzt
  • Systemankerung aus radialen Kurzankern mit schnell wirkenden, kurzen Felsankern (Reibrohranker; L=1.8 m) vor der Tunnelvortriebseinrichtung versetzt
  • Systemankerung aus radialen Langankern (≥ 2.5 m)
  • Spritzbeton (d=7 cm) mit Stahlfasern oder Armierungsnetz
  • Stahlträger (Stahlbogen-Ringausbau) aus 1 TH Profil 16/48 pro Laufmeter, eventuell mit Spritzbeton
  • Tübbingausbau (Spreiztübbings ohne vordefinierten Ringspalt, gegebenenfalls gelochte Tübbingelemente, um die Abdichtung des Ringspaltes zu gewährleisten)

Gemäss Amann und Löw (2009) werden vollflächige Sicherungskonzepte (Spritzbeton, Stahlträger oder Tübbings) wahrscheinlich selbst im intakten Material mit nur vereinzelten Klüften (TJ) bei grösseren Überlagerungen (> 700 m) notwendig werden. Innerhalb tektonischer Einheiten, welche Klüfte in relevanten Abständen und Eigenschaften enthalten (VZ, SJ), muss davon ausgegangen werden, dass bereits bei geringeren Überdeckungen Ausbaukonzepte mit grosser stützender Wirkung notwendig werden.

Falls Ausbaukonzepte mit konventionellem Spritzbeton oder Tübbings gewählt würden, sind die resultierenden Porenwässer in der Regel hoch-alkalisch (pH > 13) und lösen quellbare Tonmineralien im Bentonit und Schichtsilikate in tonreichen Wirtgesteinen. Unter diesen Bedingungen erfolgt im Wirtgesteine anschliessend eine Ausfällung von Sekundärminerlien wie Calcit, Zeolit und Ca-Al-Silikat-Hydraten (CASH Phasen), welche die Selbstabdichtung und Sorptionseigenschaften des Wirtgesteins reduzieren. Montmorillonit im Bentonit wandelt sich vermutlich in Illit um, was die Permeabilität und Kationenaustauschkapazität negativ beeinflusst. Da sich die mineralogischen Veränderungen im Wirtsgestein nur ein paar Meter weit ausbreiten, sind die Auswirkungen dieser zement-gebundenen Stützmittel auf die Bentonitbarriere grösser als auf die Geosphäre. Massiver Stahleinbau erhöht die Menge der produzierten Korrosionsgase. Die Auswirkungen der neuen Ausbaukonzepte (insbesondere Tübbing und Spritzbeton) auf die Langzeitsicherheit des HAA-Tiefenlagers sind darum von der Nagra im Detail zu überprüfen.

Das Ausbaukonzept ist zukünftig genauer zu spezifizieren, da es Auswirkungen auf die Begrenzung der HAA-Standortgebiete haben kann. Für das bisherige Ausbaukonzept gemäss NTB 08-03 ergibt sich aus der reduzierten Tiefenlage eine Verkleinerung der Standortgebiete. Für die neuen Ausbaukonzepte (gemäss NAB 09-07) wären vermutlich bautechnisch auch grössere Tiefen für HAA-Lager möglich (mehr als 900 respektive 800 m u.T.). Die HAA-Gebiete Jura Ost[1] und Nördlich Lägern werden im Süden durch den Faltenjura begrenzt. Südlich des Faltenjuras liegt der geringermächtige Opalinuston in einer Tiefe von 1100-1400 Metern (und mehr). Obwohl nicht im Detail untersucht erscheint diese Tiefe für ein HAA-Tiefenlager nach dem heutigen Konzept nicht optimal zu sein.

[1] Auf Wunsch der Standortregion wurde das Standortgebiet Bözberg in Jura Ost umbenannt.

Beantwortet von Nagra

Ergänzungen der Nagra zu Frage 71

Ausbaukonzepte für HAA-Lagerstollen

Grundsätzlich teilt die Nagra die Beurteilung der KNE in Bezug auf die bautechnische Machbarkeit von HAA-Lagerstollen im Opalinuston in grosser Tiefe. Mit den Aufsichtsbehörden sind denn auch bereits im Verlauf der Überprüfungsphase mögliche bautechnische Massnahmen diskutiert und in einem ergänzenden Bericht ( NAB 09-07) dokumentiert worden. Die Vorschläge der Nagra basierten bezüglich der Machbarkeit von Lagerstollen in Tiefen bis 900 m, insbesondere in Gebieten mit weniger günstigen Gebirgseigenschaften, von Anfang an auch mit der Annahme, dass Lagerstollenausbauten erforderlich sein könnten.

Bezüglich Ausbaukonzept und Bauvorgang wurden mehrere Ansätze aufgezeigt, wie die Stollen, vor allem auch im Fokus der Langzeitsicherheit, erstellt und gesichert werden können. Insbesondere wurde die Möglichkeit untersucht, nach etwa jedem zehnten Behälter einen grösse­ren Abstand zwischen zwei Behältern vorzusehen, um dort mit speziellen Massnahmen (Einbau einer Zwischenversiegelung) allfällige Fliesswege im Grenzbereich Bentonit / Ausbau / Wirtgestein wirkungsvoll zu unterbinden. Das ENSI hat im Rahmen seiner Überprüfung der Nagra-Vorschläge (zu SGT-Etappe 1) u.a. auch entsprechende Fragen an die Nagra gerichtet. In ihren Antworten hat die Nagra die Ansätze ihrer Ausbaukonzepte dargelegt und dokumentiert (vgl. untenstehende Figur 7-1; Figur 5 aus dem NAB 09-29).

[caption id="attachment_13333" align="alignnone" width="458"]Figur 7-1 (aus NAB 09-29): Ausbaukonzept BE/HAA-Lagerstollen mit Zwischenversiegelung. Figur 7-1 (aus NAB 09-29): Ausbaukonzept BE/HAA-Lagerstollen mit Zwischenversiegelung.[/caption]

 Die langfristig potenziell unerwünschten Auswirkungen alkalischer Porenwässer (von degradierenden zementhaltigen Ausbauten) auf das Wirtgestein waren bereits vor bald zehn Jahren im Rahmen der Arbeiten für den Entsorgungsnachweis Gegenstand eingehender Untersuchungen. Die Nagra konnte darlegen, dass die Auswirkungen auf den Opalinuston räumlich sehr beschränkt sind und die Eigenschaft des Wirtgesteins als effiziente Transportbarriere (in vertikaler Richtung) nicht beeinträchtigen (z.B. NTB 02-03, Kapitel 7.5.2). Trotzdem werden bereits seit 2005 im Rahmen von internationalen Forschungs- und Entwicklungsprogrammen diese Fragen, einschliesslich der möglichen Wirkung auf Bentonit, weitergehend untersucht. Die Arbeiten umfassen namentlich die Entwicklung von Niedrig-pH-Zement und -Beton (‚ESDRED: Low pH Shotcrete For Rock Support‘). Dazu gehören auch umfangreiche Eignungs- und Demonstrationsversuche mit Niedrig-pH-Spritzbeton zur Felssicherung (u.a. 2006 im Versuchsstollen Hagerbach; siehe NAB 07-02).

Die Verwendung von Niedrig-pH-Spritzbeton wurde schliesslich im Felslabor Mont Terri (bei seiner Erweiterung im Jahr 2008) getestet und demonstriert: Im „Experiment SR“ (‚Low pH Shotcrete for Rock Support‘) konnte der Einsatz dieses Betons für die Ausbruchsicherung (von Nische 4) erfolgreich aufgezeigt werden; die Publikation der Ergebnisse ist in Bearbeitung.

Die Weiterentwicklung von alternativen Ausbaukonzepten für Lagerstollen bleibt ein zentrales Element der Nagra – Planung auf dem Gebiet „Forschung und Entwicklung“ (vgl. NTB 09-06, Seite 96: „Conceptual design studies will be carried out to develop alternative tunnel lining and support designs as well as to define optimised construction methods. The safety requirements will be incorporated into the design studies, including assessment of interactions of low pH shotcrete with bentonite.”). So wurden z.B. im Rahmen der Entwicklung von Niedrig-pH-Spritzbeton oder -Zementen bereits weiterführende Projekte in Angriff genommen (‚The pH measuring project‘, Joint venture SKB, Posiva, Enresa, Nagra, NUMO & JAEA). Zurzeit in Planung ist schliesslich der Grossversuch „Full emplacement experiment“ (FE), wo im Felslabor Mont Terri im Massstab 1:1 die Behältereinlagerung sowie das Langzeitverhalten von Bentonitverfüllung und Wirtgestein getestet werden sollen; die Vorbereitungsarbeiten untertage beginnen voraussichtlich noch im Jahr 2010.

Diese Entwicklungsarbeiten erlauben im Zuge der weiteren Vertiefung und Reifung der Projekte, die Ausbaukonzepte schrittweise präziser und vor allem stufengerecht zu spezifizieren, nicht zuletzt unter Berücksichtigung der mit zunehmender Projektdauer ergänzten Datenlage der geomechanischen Randbedingungen (SGT Etappe 3).

Könnte die Möglichkeit des Baus eines Tiefenlagers in tieferen Lagen zu einer Vergrösserung der Auswahl an geologischen Standortgebieten führen?

In ihrer Antwort zu Frage 7 schreibt die KNE: „Die HAA-Gebiete Jura Ost und Nördlich Lägern werden im Süden durch den Faltenjura begrenzt. Südlich des Faltenjuras liegt der geringermächtige Opalinuston in einer Tiefe von 1100-1400 Metern und mehr.“

[caption id="attachment_14903" align="alignnone" width="458"]Figur 7-2: Figur 5.2-6 aus NTB 08-04: Isopachenkarte des Opalinustons. Dargestellt sind die Mächtigkeiten des Opalinustons (inklusive Murchisonae-Schichten in Opalinuston-Fazies) vor der partiellen postmolassischen Erosion. Das Modell berücksichtigt somit die Mächtigkeitsabnahme im Ausibssbereich nicht. Auch tektonische Verdickungen und Ausdünnungen sind nicht berücksichtigt. Figur 7-2: Figur 5.2-6 aus NTB 08-04: Isopachenkarte des Opalinustons. Dargestellt sind die Mächtigkeiten des Opalinustons (inklusive Murchisonae-Schichten in Opalinuston-Fazies) vor der partiellen postmolassischen Erosion. Das Modell berücksichtigt somit die Mächtigkeitsabnahme im Ausibssbereich nicht. Auch tektonische Verdickungen und Ausdünnungen sind nicht berücksichtigt.[/caption]
Diesem Befund schliesst sich die Nagra an (siehe Figur 7-2; Figur 5.2-6 aus dem NTB 08-04). Zudem verweist die Nagra auf ihre Antwort zur TFS-Frage 1. Darin wurde bereits erläutert, nach welchen Gesichtspunkten und Vorgaben die maximalen Tiefenlagen unter Terrain hergeleitet worden sind (geomechanische Bedingungen, in-situ-Temperaturen). Im letzten Punkt der Nagra – Antwort zu TFS-Frage 1 steht denn auch bereits: „Die Nagra hat die Sensitivität der Tiefenlage geprüft und festgestellt, dass bei einer Erhöhung der maximalen Tiefenlage um 100-200 m keine grundsätzlich neuen Standortgebiete dazu kommen“.

Referenzen

NAB 09-07: Standortunabhängige Grundlagen Anlagen und Betrieb SGT-ZE / SUG 2.3 Alternatives Ausbaukonzept („Liner concept“) für BE/HAA-Lagerstollen (November 2009).

NAB 07-02: ESDRED: Low pH Shotcrete for Rock Support. Spraying Tests in the Hagerbach Test Gallery (August 2007).
NTB 02-03: Projekt Opalinuston: Synthese der geowissenschaftlichen Untersuchungsergebnisse. Entsorgungsnachweis für abgebrannte Brennelemente, verglaste hochaktive sowie langlebige mittelaktive Abfälle (Dezember 2002).
NTB 09-06: The Nagra Research, Development and Demonstration (RD&D) Plan for the Disposal of Radioactive Waste in Switzerland (November 2009).
NAB 09-29: SGT Etappe 1. Fragen des ENSI und seiner Experten und zugehörige Antworten der Nagra.
1 Gemäss Protokoll der 3. TFS-Sitzung wünschen die Vertreter des LK Waldshut (K. Eschbach) und Österreichs (H. Hirsch) ergänzende Kommentare der Nagra betreffend die Antwort der KNE auf Frage 7.