Numerische Sicherheitsuntersuchungen

Berechnete Temperaturverteilung an einem generischen Endlager im Tongestein Quelle: BGR

Um einen sicheren Einschluss von hoch-radioaktiven Abfällen in einem geologischen Tiefenlager über 1 Million Jahre bewerten zu können, sind numerische Modellberechnungen ein wichtiges Werkzeug. Hiermit kann das Verhalten eines Endlagersystems über lange Zeiträume abgebildet werden, sofern die wesentlichen Prozesse angemessen berücksichtigt werden. Eine Aufgabe besteht folglich darin, die sicherheitsrelevanten Prozesse und Ereignisse zu identifizieren und in ein numerisches Modell zu überführen. Dies basiert auf einer umfassenden systematischen Analyse des Endlagersystems (Langzeitsicherheit) und einer physikalisch motivierten Modellbildung.

Ein Bearbeitungsschwerpunkt der BGR liegt auf der numerischen Modellierung von thermischen, hydraulischen und mechanischen Prozessen und ihren Kopplungsmechanismen (Berechnungsverfahren) im Barrieregestein. Diese werden im Wesentlichen durch die Einbringung von wärmeentwickelnden Abfälle ausgelöst. Ein wichtiges Ziel der Berechnungen ist, im Rahmen von Sicherheitsanalysen den Erhalt der einschlusswirksamen Eigenschaften des Gebirges, die sogenannte Integrität, darzustellen. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) hat in der Verordnung über Sicherheitsanforderungen an die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle (§ 5 Endlagersicherheitsanforderungsverordnung – EndlSiAnfV) festgelegt, was hinsichtlich der Integrität des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs zu prüfen ist. Hieraus lassen sich die folgenden drei Kriterien ableiten:

Beispielhafte Ergebnisauswertung zur Auswertung des Dilatanzkriteriums an einem generischen Endlager Quelle: BGR

1. Dilatanz-Kriterium
   
   Nach diesem mechanisch orientierten Kriterium muss gezeigt werden, dass die mechanischen Beanspruchungen im Gestein nicht zu einer Entstehung oder Aufweitung von Poren führen, sogenannter dilatanter Verformung, da dies die Durchlässigkeit des Gebirges vergrößern könnte und so das Einschlussvermögen beeinträchtigt.
   
   
2. Fluiddruck-Kriterium
   
   Dieses Kriterium deckt eine hydraulisch induzierte Aufweitung oder Schädigung des Gesteins ab. Es gilt als eingehalten, wenn die berechneten hydraulischen Drücke im oder am Rand des Barrieregestein nicht höher sind, als die Druckspannungen im Gestein, da es sonst zum Aufreißen des Gebirges kommen könnte.
   
   
3. Temperatur-Kriterium
   
   Nach diesem Kriterium dürfen die Barriereeigenschaften des Gesteins durch Temperatureinfluss nicht wesentlich beeinflusst werden. Beispielsweise sind Mineralumwandlungen, die das Rückhaltevermögen ungünstig beeinflussen, auszuschließen. Meist wird eine Grenztemperatur für das Barrieregestein festgelegt, die nicht überschritten werden darf.
   

Mit Hilfe von numerischen Modellberechnungen und entsprechenden Auswertungen können Endlagersysteme im Hinblick auf die Gefährdung dieser Kriterien untersucht werden. Angewendet werden diese Kriterien von der BGR beispielsweise im Rahmen von umfangreichen Berechnungen zum Nachweis der Integrität der geologischen Barriere für das Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben (ERAM).

In Deutschland existiert kein Standort für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle. Bewertungskonzepte und Berechnungsmethoden zur Integrität werden in Forschungsvorhaben für verschiedene Wirtsgesteinstypen und Endlagerlayouts entwickelt und exemplarisch angewendet (AnSichT, VSG, KOSINA, RESUS, PRESTIGE, CHRISTA II). Hierbei werden meist „generische Standorte“ zu Grunde gelegt, die eine typische geologische Situation in Deutschland darstellen aber keinen genauen Standortbezug haben.