1. Die Sicherheitsanalyse der Nagra
Blackbox oder nicht Blackbox?
Wie im Blogbeitrag vom 23. Mai 2016 erwähnt, betrachtet die Sicherheitsbehörde die mögliche zusätzliche jährliche Strahlendosis welche die Bevölkerung aus einem geologischen Tiefenlager erhalten kann als wichtigstes Kriterium zur Beurteilung der Zulässigkeit eines solchen Lagers. Diese zusätzliche Dosis beträgt 0.1 mSv. Sie wird im Rahmen der Sicherheitsanalyse durch eine Modellrechnung bestimmt.
Meist wird die Sicherheitsanalyse im Publikum als eine Art magische schwarze Kiste (eine Blackbox) verstanden, in welcher der Entsorger seine Lagerstandorte gesund rechnet. Aber ist dem wirklich so? Oder sind dies blosse Phantasmen? Wir möchten dieser Frage hier nachgehen. Zu diesem Zweck betrachten wir die Sicherheitsanalyse, wie sie durch die Nagra im Rahmen der Etappe 2 des Sachplans durchgeführt und in den Technischen Berichten 14-03 und 14-09 dargestellt wurden, wobei wir uns eine gewisse Vereinfachung erlauben.
Das Grundmodell
Das Grundmodell der Nagra ist in Abbildung 1 dargestellt. Es ist aus einzelnen Modulen aufgebaut:
Nahfeld: Dieses umfasst den radioaktiven Abfall, eingebettet in seiner Matrix und verpackt in den Abfallbehältern. Diese Behälter sind im Lagerstollen (oder in Lagerkammern) eingelagert und von der Stollenverfüllung umgeben.
Geosphäre: Mit dem Ausdruck „Geosphäre“ bezeichnet man die Gesteinsformation in welcher die Lagerstollen angelegt sind (Wirtgestein, bzw. „einschlusswirksamer Gebirgsbereich“), sowie die umgebenden Gesteinsformationen im geologischen Untergrund, bis zur Erdoberfläche.
Biosphäre: Der Ausdruck bezeichnet die Erdoberfläche und den untiefen Untergrund, mit ihrer Vegetation, Fauna und mikrobiellen Welt. In ihr werden Nährstoffe, Spurenelemente, Wasser und Gas mit dem Boden und der Atmosphäre ausgetauscht und in natürlichen Prozessen, wie etwa der Photosynthese und der Zersetzung organischer Materie umgewandelt. Organismen können radioaktive Stoffe aufnehmen und in ihren Geweben anreichern.
Radioaktive Stoffe werden in diesem Modell im Verlaufe der geologischen Tiefenlagerung aus dem Nahfeld an die Geosphäre, und aus dieser an die Biosphäre abgegeben. Der Mensch kann die Stoffe durch Nahrung oder durch die Atmung aufnehmen und erhält auf diese Weise jene zusätzliche Strahlendosis, welche 0.1 mSv pro Jahr nicht übersteigen darf.
Freisetzung der radioaktiven Stoffe
Im Modell der Nagra können radioaktive Stoffe durch den Transport mit Wasser aus dem Lager durch den Nahbereich hindurch in die Wirtgesteinsformation und durch die Geosphäre bis an die Erdoberfläche gelangen. Im sogenannten „generischen Modell“ wird dabei angenommen, dass alle Materialien und der ganze Raum (inklusive geklüftetes Gestein) vom Abfallbehälter bis zur Erdoberfläche porös sind, bestehend aus einem festen „löcherigen“, oder aus einzelnen Partikeln und Porenräumen (Porosität), in welchen sich entweder Gas, oder Flüssigkeit (meist Wasser) befindet. Das Wasser kann durch diese Poren zirkulieren (sog. Advektion) oder diffundieren („Durchsickern“) und dabei radioaktive Stoffe mit sich transportieren. Diese beiden Prozesse setzen im besagten Modell die Anwesenheit einer Flüssigkeit im Lager und auf dem Transportweg vom Lager bis zur Biosphäre voraus, d.h. das Gestein muss gesättigt sein.
Die Aufsättigung des Gesteins durch den langsamen Zufluss von Grundwasser beginnt, sobald die Lagerstollen und andern Zugänge verschlossen sind und damit keine Austrocknung der Stollen durch die Stollenluft mehr erfolgt. Dieser Prozess dauert im Modell 100 Jahre.
Einschlusszeit der Abfälle im Abfallbehälter
Die Abfallstoffe sind in ihrer Abfallmatrix (z.B. Zement, Glas oder andere Matrix) und im Abfallbehälter eingeschlossen. Im Modell wird angenommen, dass die Behälter während einer gewissen Zeit absolut dicht sind. Währen dieser „Einschlusszeit“ sind die radioaktiven Stoffe also blockiert. Sie wandeln sich allerdings durch radioaktiven Zerfall um und können dabei (Brennstäbe u.a. hochradioaktive Abfälle) Wärme entwickeln und den Abfallbehälter bestrahlen.
Bei schwach und mittel radioaktiven Abfällen wird im Modell von einer Einschlusszeit von 100 Jahren ausgegangen (Nagra 2010). Für hoch radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennstäbe geht die Nagra (2014b, A-91) von einer Lebensdauer des Behälters (also von einer Einschlusszeit) von 10’000 Jahren aus.
Mobilisierung der radioaktiven Stoffe aus dem Abfall und ihr Transport durch das Nahfeld[1]
Für schwach und mittel radioaktive Abfälle wird angenommen, dass die radioaktiven Substanzen nach 100 Jahren in der Abfallmatrix gleichmässig als gelöste oder feste Phase verteilt sind. Sie sind nicht an die Abfallmatrix gebunden. Eine Ausnahme bildet das Gas C-14, welches erst allmählich aus metallischen Komponenten frei gesetzt wird. Die radioaktiven (und nicht radioaktiven) Substanzen können durch das zirkulierende oder diffundierende Wasser aus der Abfallmatrix herausgelöst und durch das Nahfeld hindurch transportiert werden.
Für hoch radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennstäbe wird im Modell angenommen, dass die Kanister nach 10’000 Jahren unmittelbar ihre gesamte Rückhaltefähigkeit verlieren. Am Anfang tritt eine gewisse Menge radioaktiver Stoffe in einem Schub aus dem Abfall aus (Abbildung 2). Sodann erfolgt die Mobilisierung der Stoffe aus der Abfallmatrix in linearem Verlauf, proportional zum verbleibenden Inventar. Nach Vorstellung der Modellierer diffundieren die Stoffe nach dem Austritt aus dem Abfall in die Verfüllung des Lagerstollens aus Bentonit, einem Tonmineral von vulkanischer Herkunft, welches in kompaktem Zustand eine äusserst kleine Durchlässigkeit aufweist und die radioaktiven Stoffe zurück hält, bzw. nur langsam in die geologische Umgebung gelangen lässt.
Auf ihrem Weg durch die Abfallmatrix und die Stollenverfüllung kann ein Teil der radioaktiven Stoffe an den feinen Partikeln, v.a. an den Mineralplättchen des Bentonits adsorbiert (festgehalten) werden.
Am Übergang vom Lagerstollen zum Wirtsgestein wurde die Stollenwand während des Stollenausbruchs geklüftet. Diese sogenannte Auflockerungszone lässt Wasser und seine Last an gelösten Stoffen frei durchfliessen. Hierbei findet also keine Rückhaltung von Schadstoffen statt. Die Mächtigkeit (Tiefe im Fels) dieser Auflockerungszone ist im Modell auf 1 m festgesetzt.
Transport der radioaktiven Substanzen durch die Geosphäre
Die Geosphäre ist im Nagra-Modell in Etappe 2 des Sachplans äusserst einfach dargestellt; es handelt sich um ein sogenannt eindimensionales Modell:
- Horizontal gelagerte Schichten von homogenen, mit Wasser gesättigten Gesteinsschichten überlagern sich.
- Vom Lagerbereich bis an die Oberfläche sind diese Gesteinsschichten von dichten Wänden umgeben (siehe Abbildung 3). In diesen senkrecht gestellten „Röhren“ zirkuliert das Wasser mit gelösten radioaktiven Stoffen, entweder von unten nach oben, oder von oben nach unten. Es gibt weder einen seitlichen Ausfluss aus der „Röhre“, noch seitlichen Zufluss.
- In porösen durchlässigen Schichten wird angenommen, dass das Wasser advektiv hindurchfliesst; in Gesteinen geringerer Durchlässigkeit wird Diffusion als Grundmechanismus des Transportes angenommen.
- Entsprechend den physikalischen und chemischen Bedingungen können radioaktive Stoffe in der Geosphäre teilweise adsorbiert, oder gar abgelagert werden.
Sobald das Wasser mit seiner Fracht an Schadstoffen an der Obergrenze der Geosphäre ankommt, wird es an die Biosphäre abgegeben.
Radioaktive Substanzen in der Biosphäre und Berechnung der Dosen
Die Prozesse in der Biosphäre sind entscheidend für die effektiv durch eine Bevölkerung erhaltene zusätzliche Strahlensdosis. Das „Biosphärenmodell“ beruft sich denn auch auf eine entsprechend breite nationale und internationale Literatur.
Die radioaktiven Stoffe gelangen in die Biosphäre über die Wurzelzone des Bodens, seichte Grundwässer, Oberflächenwasser, Sedimente in Flüssen und Seen . . . Der Mensch nimmt sie schlussendlich über Trinkwasser, Fische, Fleisch, Eier, Gemüse, Früchte und andere Frischprodukte auf. Er ist auch externer Strahlung durch verschmutzten Boden ausgesetzt und nimmt Substanzen durch die Atmung, namentlich als Staub auf.
Das aus der Umwelt aufgenommene Inventar von radioaktiven Substanzen verteilt sich in den verschiedenen Organen und Geweben des menschlichen Körpers. Die für diese Organe resultierende radioaktive Bestrahlung, bzw. die Strahlendosen werden durch „Biosphären-Dosen-Umwandlungs-Faktoren“ berechnet. Dies sind die Dosen für welche der Grenzwert von jährlich 0.1 mSv gilt
Modellrechnung
Das mathematische Modell geht von einem gewissen Abfallinventar im Lager aus. Dieses gelangt wie oben beschrieben in Funktion der Zeit und des Wasserflusses an die Aussengrenze des Nahfeldes. Die Rate der an dieser Grenze an die Geosphäre abgegebenen radioaktiven Substanzen bildet den sogenannten „Quellterm“. Der Substanzen werden nun mit einem Rechencode mit dem Namen PICNIC-TD 1.4 durch die Gesteinsformationen „hindurch gerechnet“. Dabei geht der radioaktive Zerfall weiter, sei es im allmählich mehr und mehr ausgelaugten Abfallkanister, sei es auf dem Transportweg durch die Geosphäre zur Biosphäre und dem Menschen.
Die in der Sicherheitsanalyse verwendeten mathematischen Formeln erscheinen sehr kompliziert. Im Grunde beruhen sie aber auf einfachen physikalischen Prinzipien welche, mathematisch formuliert, die Abfallstoffe in den Abfallgefässen radioaktiv zerfallen lassen, sie sodann aus der Abfallmatrix auswaschen und schlussendlich der Zeitachse folgend in die Biosphäre transportieren.
Entscheidend sind am Anfang der Rechnung neben den gewählten Formeln (Codes), die eingegebenen Kenngrössen in numerischen Werten, die verschiedenen Parameter. Bei diesen Parametern herrscht teilweise eine grosse bis sehr grosse Unsicherheit. Es können daher verschiedene Varianten gerechnet werden.
Aus der Rechnung resultieren für die verschiedenen Stoffe (Radioisotope) Kurven der zeitlich veränderlichen radioaktiven Dosen (Abbildung 4).
2. Kritische Betrachtung
Die Lebenserwartung der Abfallbehälter
Abfallbehälter für schwach und mittel radioaktive Abfälle halten 100 Jahre? Wenn dem so wäre, dann müsste das Paul-Scherrer-Institut nicht regelmässig Abfallgebinde im Bundes-Zwischenlager reparieren. Ausserdem wurden und werden diese Abfallgebinde nur für die Zwischenlagerung produziert. Folglich dürften die 100-Jahre für eine Vielzahl dieser Abfallbehälter eher optimistisch gewählt sein. Betrachtet man alle verschiedenen Abfallbehälter und deren Inhalt, so muss man wohl auch eingestehen, dass die Lebensdauer sehr stark schwanken kann.
Sind Stahlbehälter für hoch radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennstäbe während 10’000 Jahren dicht? Die Wahrheit ist: man weiss es nicht. Die bisherigen Erfahrungen mit der Lagerung von flüssigen hochaktiven Abfällen in Zusammenhang mit Lochfrasskorrosion sprechen allerdings für deutlich kürzere Zeiträume. Letztendlich beruhen die heutigen Schätzungen auf Extrapolationen von flächenhaften Korrosionsdaten; ein Thema, das wir später wieder aufgreifen werden. Die Forschung hat das Problem längst erkannt und sucht nach Behältermaterialien die am wenigsten korrodieren (siehe Hanford tanks, https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_Report.cfm? dirEntryId=29410&CFID=166985260&CFTOKEN=88129398&jsessionid=8630f2cc2275f199285b516c4b3d4d3752d7).
Auslaugung der radioaktiven Stoffe aus der Abfallmatrix
Eine Frage für Philosophen! Das Modell geht davon aus, dass früher oder später die gesamten Schadstoffe (oder: alle, bis zu einem gewissen geochemischen Gleichgewicht mit der Umgebung?) ausgelaugt sein werden. Dieser Ansatz ist im Gegensatz zu der Lebenserwartung der Behälter als eher überkonservativ anzusehen. Denn wäre dem so, dann müssten eigentlich alle Erzlagerstätten in der Erdkruste bis etwa 1 km Tiefe heute ausgelaugt sein; und das sind sie nicht. Folglich ist die Grundannahme sicher nicht richtig. Auch bei den von Menschen gemachten Ablagerungen – den Deponien – zeigt sich, dass nur ein Teil des Inventars mobilisierbar ist. Aber auch dieser Teil schafft gewaltige Probleme und führt bekanntlich auch zur Totalsanierung von Deponien mit hohem Anteil an chemotoxischen Substanzen.
Schadstoffmigration in der Nahzone
Die Ausbreitung der radioaktiven Stoffe in der Nahzone kann unter kontrollierten Laborbedingungen experimentell bestimmt werden. Viel kann das gerechnete Modell daher nicht neben der Realität liegen. Dies unter der Annahme, dass die Transportpfade richtig erkannt wurden.
Schadstoffmigration in der Geosphäre
Die grösste Schwäche im ganzen Lagersystem sind die Lagerbauten selbst, sowie ihre Zugänge. Diese Schwächezonen werden in der Sicherheitsanalyse nicht wirklich einbezogen.
Das zur Modellierung gewählte Geosphärenmodell mit generell vertikalem Grundwasserfluss (von unten nach oben, oder von oben nach unten, Abbildung 3) ist für die Nordostschweiz und ihre drei Lagerstandorte ziemlich weit wenn nicht total von der Realität entfernt. Auch die eindimensionale Rechnung entspricht bei weitem nicht mehr heutigem wissenschaftlichem Standard.
Generell infiltriert Tiefengrundwasser in topographische hoch gelegene Zonen und bewegt sich in Funktion eines Druckgradienten durch den Untergrund, um schlussendlich in tiefen Positionen wieder aufzustossen (Abbildung 5, Modell von Toth 1963).
In geologischen Situationen mit Gesteinsformationen sehr unterschiedlicher Durchlässigkeit, folgt Wasser bei der Infiltration in die Tiefe und beim Aufstieg an die Oberfläche mit Präferenz Schichten hoher Durchlässigkeit. Wasser welches ein Tiefenlager in einem der drei potentiellen Lagerstandorte der Nordostschweiz durchflossen hat, wird also zum Beispiel Karsthöhlen oder Klüfte im darüber liegenden Malmkalk wählen, um so entweder Richtung Oberfläche, oder seitlich in ein Tal auszufliessen. Die Abbildung 6 stellt dies recht verallgemeinert in einem geologischen Schnitt durch den Jura dar.
Im Detail einer wirklichen Situation in einem Flusstal, also in einer Zone mit starkem Wasseraufstoss und allenfalls Quellen oder Talgrundwasser, kann dies noch etwas komplizierter aussehen.
Für die Sicherheitsanalyse der Nagra muss die bestmögliche Methode zur Modellierung der möglichen zusätzlichen Strahlenbelastung der Bevölkerung zur Anwendung kommen. Derartige 3-dimensionale Modelle gehören heute zum normalen Standard. Das Modell muss vor Etappe 3 erstellt werden, um die durch Probebohrungen und Feldversuche zu kalibrierenden Positionen fest zu legen.
Biosphären Modellierung
Zu dieser Frage verfügen die Blog-Autoren leider über keine Fachkompetenz.
3. Schlussfolgerungen
Die Sicherheitsanalyse der Nagra beruht auf einem Modell, welches aus verschiedenen Baukasten-Elementen aufgebaut ist, in welchen Radionuklide aus dem Lagerbehälter zuerst ins Nahfeld migrieren, sodann in die Geosphäre übergehen und durch diese hindurch in die Biosphäre und damit in den menschlichen Lebensraum gelangen. Es wird angenommen, dass die Abfallstoffe in einer ersten Zeit, der Verschlusszeit, vollständig im Lagerbehälter eingeschlossen bleiben. Diese Zeit, falls sie wirklich existiert, ist im Modell recht willkürlich festgelegt. Sie bildet eine der grossen Unbekannten der Sicherheitsanalyse.
Die Migration einmal aus dem Abfall herausgelöster Stoffe durch die Stollenfüllung ist eine experimentell bestimmbare Grösse. Dies gilt zum Teil auch für die Wirtgesteinsformation. Allerdings stellt sich die Frage, wie weit die Transportwege nicht in wesentlichem Ausmass durch den Bau des Endlagers im Wirtgestein beeinflusst werden.
Schlecht modelliert werden heute die Lagerbauten und Zugänge, sowie die weitere Geosphäre, wo in Etappe 2 des Sachplans ein 1-dimensionales Rechenmodell angewendet wird, während dem in der Praxis eine 3D- Modellierung absolut machbar wäre. Diese Modellierung sollte in ihren Grundzügen entwickelt werden, bevor das weitere Programm für Felduntersuchungen festgelegt wird. Dadurch soll die Kalibrierung des Modells mit Daten aus dem Feld garantiert werden.
Und vor allem: Die Modellierung im Rahmen der Sicherheitsanalyse ist, falls sie auf einem korrekten Niveau durchgeführt wird, eine willkomene Hilfe bei der Prüfung der Eignung eines Lagerstandortes. Sie darf aber nicht als alleiniges, oder als dominierendes Kriterium verwendet werden. Hierzu ist sie beim Grad der heutigen Unsicherheiten schlicht nicht geeignet! Im Gegenteil: Felddaten und klassische Schwachstellenanalysen bilden weiterhin eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung der Standorte – von der qualitativen Bewertung bis hin zur Beurteilung ihrer generellen Eignung. Die Erfahrungen mit der Standortqualität von Deponien beziehungsweise den „Sicherheitsnachweisen“ solcher Anlagen geben einen Vorgeschmack für das, was auch im Nuklearbereich erwartet werden kann.
Vom Kindertraum zum Albtraum, hin und zurück
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