Internationales Atom-Müll-Testgebiet im Jura: „Die Ewigkeit im Felslabor simulieren“

Die Empa ist überzeugt, daß Gestein für hochradioaktive und andere radioaktive Abfälle für „die Ewigkeit“ halten muß.

Was aus den Erfahrungen von Tschernobyl (Ukraine) her gesehen gar nicht der Fall zu sein scheint (siehe diese Dokumentation).

Die Empa macht in der Schweiz geeignete Atommüll-Endlager-Orte aus.

Mausert sich die Schweiz als geeigneter Ort für Atommüll-Endlager?

In der Schweiz sollen entsprechend dem Kernenergiegesetz geologische Tiefenlager künftig schwach-, mittel, und hochaktiven Atommüll aufnehmen.

Hierzu müssen stabile Gesteinsschichten vorhanden sein, die die Endlagerbehälter umschließen.

Weil Materialforscher allerdings wissen, daß kein Material unveränderlich ist und selbst Marmor, Stein und Eisen brechen, muß ein Wirtsgestein ausgesucht werden, das über Jahrtausende geologisch möglichst stabil und dicht ist, so die Überzeugung der Empa.

Geeignetes Atommüll-Gestein zwischen Olten und Schaffhausen

Der 180 Millionen Jahre alte Opalinuston, der sich in der Schweiz beispielsweise zwischen Olten und Schaffhausen in einer Tiefe von 600 Metern ausdehnt, hat sich als passendes Wirtsgestein herauskristallisiert.

Da er eine geringe Wasserleitfähigkeit hat, besitzt er hervorragende isolierende Eigenschaften, so die Empa weiter.

Felsenfest im Berg eingeschlossen

Doch wie reagieren die kristallinen Strukturen und die Tonmineralien von Opalinuston mit Zement-basierten Sicherheitsbarrieren, wenn der nagende Zahn der Zeit zu Veränderungen führt?

Die Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) benötigt hierzu Daten, damit ein Endlager für Atommüll im Hinblick auf Umweltschutz und Sicherheit felsenfest in der Erde eingebettet werden kann.

Den dazu nötigen Analysen widmen sich auch Barbara Lothenbach und ihr Team, indem sie Experimente im Felslabor Mont Terri in St. Ursanne, das in einer Opalinustonschicht errichtet wurde, unter realitätsnahen Bedingungen durchführen.

Gemeinsam mit internationalen Partnern und Forschungsgruppen aus der Schweiz wie etwa der Universität Bern und dem Paul Scherrer-Institut (PSI) werden Reaktionen von Zement-basierten Materialien und dem umliegenden Opalinuston simuliert.

Die Langzeitentwicklung der Grenzschichten zwischen den sehr unterschiedlichen Materialsystemen untersuchen und modellieren die Forscher dabei in mehrjährigen Versuchsansätzen bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 20 und 70 Grad Celsius.

Rückkehr eines alten Bekannten

Von besonderer Bedeutung ist hierbei der stark alkalische pH-Wert von Zement, der bei herkömmlichem Portland-Zement bei pH 13.5 oder sogar darüber liegen kann.

Damit das alkalische Milieu die Tonmineralien in der Umgebung weniger stark angreift, schien zunächst eine Neuentwicklung, der sogenannte Niedrig-alkalische-Zement, ein guter Kandidat für langlebige, Zement-basierte Schutzbarrieren zu sein.

Mit einem pH-Wert von 12.2 oder tiefer weist er eine mehr als zehnmal niedrigere Alkalikonzentration auf. Lothenbach und ihr Team verglichen daher Zementarten mit unterschiedlichen pH-Werten mittels thermodynamischer Modellierungen und Röntgendiffraktionsanalysen.

Erstmals liegen damit Langzeitergebnisse vor, mit denen sich die Zementarten und ihre Evolution im Berg charakterisieren lassen. Es stellte sich heraus, daß niedrig-alkalischer Zement tatsächlich schonender mit den Tonmineralien umgeht.

Allerdings bilden sich bei Verwendung von herkömmlichem Portland-Zement über die Zeit chemische Verbindungen, die zu ähnlich günstigen Verhältnissen in der Sicherheitsbarriere führen. «Damit ist der preiswertere und erprobte Portland-Zement wieder zurück in den Mittelpunkt des Interesses gerückt», sagt Lothenbach.

Verzwickte Radioaktivität

Sollen Zement-basierte Materialien radioaktive Substanzen vom Austritt in die Umwelt abhalten, darf zudem die Reaktion zwischen dem Atommüll und dem Zement keinesfalls die Sicherheitsbarriern des Lagers beeinträchtigen. Die Empa-Forscher haben darum radioaktive Isotope, die im radioaktiven Abfall vorhanden sind, wie etwa jene des Elements Selen, in Adsorptionsstudien untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass Selen-Verbindungen vom Zement aufgenommen werden, und zwar in großen Mengen.

«Eine Schutzbarriere aus Beton verzögert das Austreten von Radioaktivität in die Biosphäre, da die Zementmineralien die radioaktiven Substanzen binden und damit eine Verbreitung aufhalten», so Forscherin Lothenbach.

So einfach lassen sich allerdings nicht alle Prozesse bewerten, die im komplexen Zusammenspiel der aufeinander-treffenden Materialien ablaufen, gibt die Forscherin zu bedenken.

Man hatte zwar gehofft, dass die Entwicklung von neuen niedrig-alkalischen Zementarten Vorteile für die Haltbarkeit der Sicherheitsbarrieren bieten. Allerdings stellten sie bei anderen Eigenschaften Nachteile fest: Mittels thermodynamischer Modellierungen und experimentellen Daten konnten die Empa-Forscher erkennen, dass solche Zement-Arten Substanzen wie radioaktives Iodid schlechter binden.

Gefährliche Korrosion

Erstrebenswert ist eine Isolationsschicht, die zwar möglichst wasserdicht, jedoch nicht gasdicht abschließt. Gase können in einem Tiefenlager beispielsweise durch Korrosion der eingeschlossenen Stahlbehälter entstehen, wobei sich Eisenhydroxid bildet und Wasserstoff freigesetzt wird. Solche Gase, die über die Zeit in kleinen Mengen entstehen, müssen entweichen können, um die Entstehung von Überdruck zu verhindern.

Um langfristigen Reaktionen bei der Korrosion von Eisen an der Grenze zum Zementmaterial auf die Spur zu kommen, führten die Forschenden Untersuchungen mittels chemischer Analysen und Spektroskopie durch. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich Portland-Zement mit hohen pH-Werten besser bewährt als Niedrig-Alkali-Zement. Nun stehen weitere Experimente an, die diese noch wenig bekannten Korrosionsprozesse genauer beleuchten sollen.

Zudem hat Lothenbachs Team die Phasen in der Interaktionszone von Zement und Opalinuston charakterisiert, die aus der Wechselwirkung von Tonmineralien mit den Bestandteilen des Zements entstehen, wie etwa eine Magnesiumsilikat-Phase. Dass derartige Zwischenschichten entstehen und zu einer Abdichtung der Schutzschicht beitragen könnten, war bisher nicht eindeutig geklärt. Erkenntnisse dieser Art können zur Entwicklung neuer Materialsysteme beitragen, die für die gesamte Bauindustrie interessant sind, ist Lothenbach überzeugt. Denn trotz der guten Materialeigenschaften von Portland-Zement wird heute verstärkt nach Umwelt- und Ressourcen-schonenderen Alternativen gesucht, die auch für andere Anwendungen als in einem geologischen Tiefenlager eingesetzt werden könnten.

Hintergrund

Am internationalen Forschungsprogramm im Mont Terri Felslabor sind elf Nationen mit verschiedenen Universitäten und Forschungsinstituten beteiligt, darunter die Empa. Das unterirdische Felslabor befindet sich in einer Opalinuston-Schicht in 300 Meter Tiefe im Mont Terri bei St. Ursanne (JU).

Das Labor wird vom Bundesamt für Landestopografie (swisstopo) betrieben, die Projektpartner finanzieren die Forschungsprogramme.

Seit 1996 werden hier Gesteinsformationen untersucht, die bei der Lagerung radioaktiver Abfälle eine Rolle spielen könnten. https://www.mont-terri.ch/Atommüll-Endlager Schweiz

(Bild: Empa)