Das technische EKRA-Konzept

Im Blog vom 13.Dezember 2015 beschrieben wir das Werden und die Arbeitsweise der Expertengruppe für radioaktive Abfälle (EKRA). Im vorliegenden Text erinnern wir an die technischen Lösungen welche durch die Arbeitsgruppe vorgeschlagen wurden, um ihrem Auftrag bezüglich der Überprüfung der Konzepte, der Lagerüberwachung und der allfälligen Rückholung der Abfälle gerecht zu werden.

Im Verlaufe der Arbeit der EKRA hatte sich bestätigt, dass die Lagerung der radioaktiven Abfälle in einem geologischen Tiefenlager auf dem Kontinent zurzeit als sicherste Langzeitlösung betrachtet wird, um Abfälle vor ungewolltem menschlichem Zugriff und vor Naturgefahren wie etwa Überflutung, Grundwassereinbruch, Gletschererosion oder tektonischen Verschiebungen zu schützen. Die EKRA bejahte das Mehrfach-Barrieren-Konzept vollumfänglich (technische Barrieren, v.a. Abfallcontainer [Stahl, verkupferter Stahl, massives Kupfer, Keramik][1]. Allerdings erkannte die Kommission, dass es nicht nur diese technische Barrieren braucht, um die Schutzwirkung zu entfalten sondern auch Massnahmen.

In der geologischen Tiefenlagerung kommt dem natürlichen Umfeld (Geologie, Hydrogeologie, Topographie, Hydrologie, u.a.m.) eine grosse Bedeutung zu. Insbesondere liegt aber die Frage des Wirt- oder Muttergesteins (Gesteinsformation in welcher die Lagerstollen angelegt werden) im Vordergrund, mit einem unumgänglichen „Dilemma“ (dixit F. Breitschmied, Universität Bern):

• Muttergesteine in welchen man ein Lager bauen und betreiben kann, sind entweder standfeste, robuste (sogenannt „kompetente“, elastische) Gesteine, in welchen ein Lagerstollen über Jahrzehnte offen stehen könnte, wie z.B. Granit, gewisse Gneise und massive Kalkgesteine. Diese Gesteine sind aber in der Regel von Brüchen durchzogen (geklüftet) und können in diesen Klüften Wasser führen, welches die Stabilität der Abfallgebinde beeinträchtigen und allenfalls aus dem Abfall herausgelöste radioaktive Schadstoffe in die Umgebung hinaustragen kann.
• Oder, die Muttergesteine sind eher „weich“ und unter dem Gebirgsdruck verformbar, sogenannt „inkompetente“, plastische Gesteine, in denen sich eventuelle Klüfte durch die Verformung des Gesteins (Steinsalz), oder allenfalls durch die Aufnahme von Wasser im Kristallnetz (Anhydrit), oder im Mineralgefüge (Ton) selbst wieder schliessen oder geschlossen halten. Somit kann Wasser nur sehr beschränkt zirkulieren. Die Abfälle bleiben damit langfristig vor Wasserfluss geschützt. In inkompetenten Muttergesteinen können Lagerstollen aber nur schwer, bzw. nur mit Hilfe technischer Massnahmen offen gehalten werden. Eine langfristige Überwachung ist daher schwieriger zu bewerkstelligen als in kompetenten Gesteinen.

Unter Berücksichtigung dieser Vorgaben schlug die EKRA eine „Doppellösung“ vor, welche sowohl dem Anliegen des raschen Verschlusses der Lagerstollen in „inkompetenten“ Muttergesteinen, als auch dem Anliegen der Langzeitüberwachung Rechnung trägt, und zwar in der Form einer Anlage mit zwei verschiedenen, hydraulisch voneinander unabhängigen Lagerbereichen, welche im selben Muttergestein angelegt werden (Figur 1):

• Im Hauptlager sollte der weitaus grösste Teil der Abfälle eingebracht werden. Die Stollen würden nach ihrer Verfüllung rasch verschlossen. Die Abfallüberwachung im Stollen selbst war – beim damaligen Stand der Technik – nicht vorgesehen. Hingegen waren Überwachungsmassnahmen in der nähern Umgebung geplant. Im Hauptlager sollte der frühe und möglichst vollständige Verschlusses realisiert werden.

Die Arbeitsgruppe schlug, vor in einer ersten Phase des Lagerbaus ein sogenanntes Testlager anzulegen (ein Untertagelabor in der Deutschen Terminologie, auch „Testbereich“ genannt), wo „gezielte Untersuchungen zu den im Hauptlager ablaufenden sicherheitsrelevanten Prozessen durchgeführt werden“ und der der Überprüfung und Validierung der Standorteigenschaften dienen sollte (EKRA 2000).

• Die Abfall- und Lagerüberwachung sollte im sogenannten Pilotlager erfolgen. EKRA sah vor, dieses Lager frühzeitig mit einem Satz repräsentativer Abfälle zu beschicken (Grössenordnung: ca. 5% des Inventars im Hauptlager), mit Sonden zur Messung entscheidender Lagerparameter zu bestücken und zur weiteren Beobachtung zu verschliessen. Die Überwachung würde aus einem technisch stabilisierten Bereich ausserhalb des Lagerstollens erfolgen.

Gemäss EKRA (2000) hätte das Pilotlager mehrere Aufgaben zu erfüllen:

• „Überwachung des Langzeitverhaltens der technischen Barrieren und des Nahfelds
• Bestätigung von Prognosemodellen, mit denen die Langzeitsicherheit nachgewiesen wurde
• Funktion als Nachweislager, welches über den Verschluss des Hauptlagers hinaus eine Langzeitkontrolle ermöglicht“

„Aufgrund der Beobachtungen im Pilotlager können folgende Eingriffe im Hauptlager durchgeführt werden:

• Kontrolle der technischen und zum Teil auch natürlichen Barrieren
• Reparatur und Verbesserungsmassnahmen an den technischen Barrieren
• Sanierungsmassnahmen bei unerwartetem Austritt von Radionukliden in das Nahfeld oder in die Geosphäre
• Rückholung von Abfällen“

Die im Pilotlager zu messenden Parameter wurden durch die EKRA nicht festgelegt. Sie könnten z.B. folgende Grössen umfassen: Porendruck in Gestein und Lagerverfüllung, Temperatur, Wassersättigung, Leitfähigkeit, Redox-Verhältnisse, Radioaktivität usw. Zu EKRAs-Zeiten war die Überwachung von Tunnels, Untertagedeponien oder anderen Anlagen unter Tage noch weit weniger entwickelt als heute. Die Untergrundlabors – wie das Mont-Terri-Labor oder das Labor in Bure waren erst seit wenigen Jahren in Betrieb oder überhaupt erst im Bau. Zudem steckte die Technik noch in den Kinderschuhen. Viele Sonden haben auch heute eine Lebensdauer von Jahren bzw. höchstens Jahrzehnten. Der Bedarf zur raschen Weiterentwicklung der Überwachungstechnik ist also ausgewiesen. Hinzu kommt die Notwendigkeit, die Pilotlagerkonzepte zu überdenken und weiter zu entwickeln.

Die EKRA hielt für das Pilotlager keine Betriebsdauer fest. Die Arbeitsgruppe schlug vor, den Zeitpunkt eines eventuellen Verschlusses des Lagers, oder dessen Räumung und Umlagerung ins Hauptlager künftigen Generationen zu überlassen. Sollte dies erst viel später erfolgen, könnte dies grössere Unterhaltsarbeiten an Lagerzugängen und den zur Überwachung notwendigen offenen Räumen zur Folge haben.

Mit dieser Auslegung wurde davon ausgegangen, dass alle im Hauptlager ablaufenden Prozesse sich auch im Pilotlager wiederfinden. Durch die Forderung nach einer Beobachtung des Pilotlagers war somit dem Anliegen der Überwachung des Hauptlagers auf indirekte Weise Rechnung getragen worden. Für das Haupt- wie für das Pilotlager schlug die EKRA ausserdem vor einen Schnellverschluss zu planen, um damit des Lager im Notfall möglichst rasch in einen möglich sicheren Zustand überführen zu können. Diese Massnahme war vor allem als Schutz gegen rasche Wassereintritte gedacht.

Zur Frage der Rückholung schrieb die EKRA (2000): „Die Lagerarchitektur (Kavernensystem und – geometrie), der Einbau und die Verfüllung sind so zu konzipieren und auszuführen, dass die Rückholung technisch einfach bleibt.“ Wir werden diesem Themenkreis im Rahmen der Beiträge zur „Lagerplanung“ einen eigenen Artikel widmen.

Umsetzung des EKRA-Konzepts

In ihrem Bericht, sowie in einem zweiten Rapport, schlug die EKRA zahlreiche Massnahmen zur weiteren Verfolgung des Entsorgungsprogramms vor. Sie beschränkten sich nicht auf technische oder geologische Fragestellungen sondern versuchten auch den strukturellen, organisatorischen und gesellschaftlichen Fragestellungen gerecht zu werden. Auf diese Fragen werden wir im nächsten Blog-Beitrag eingehen. Im Folgenden soll kurz die Umsetzung des Konzepts unter die Lupe genommen werden.

Das technische Konzept der EKRA wie auch die strukturellen und organisatorischen Problemstellungen waren für die damalige Zeit und im Vergleich zu ausländischen Konzepten weit fortgeschritten. Einem zur Umsetzung bereiten Projekt entsprachen sie aber bei weitem nicht. Die Kommission wies explizit darauf hin und beantragte eine Weiterentwicklung des Konzeptes. Das UVEK löste die EKRA aber nach der Publikation ihres zweiten Berichts im Jahr 2002 auf.

Als erste Umsetzungsmassnahme floss das EKRA-Konzept ins Kernenergiegesetz (KEG) vom 21. März 2003, sowie in die Kernenergieverordnung (KEV) vom 10. Dezember 2004 ein, und zwar unter dem Begriff des Geologischen Tiefenlagers. Die Verordnung hält zur Auslegung namentlich fest:

„Art. 11 Grundsätze für die Auslegung von geologischen Tiefenlagern

2 Ein geologisches Tiefenlager ist so auszulegen, dass:

1. die Grundsätze von Artikel 10 Absatz 1 sinngemäss erfüllt werden;
2. die Langzeitsicherheit durch gestaffelte passive Sicherheitsbarrieren gewährleistet wird;
3. Vorkehrungen zur Erleichterung von Überwachung und Reparaturen des Lagers oder zur Rückholung der Abfälle die passiven Sicherheitsbarrieren nach dem Verschluss des Lagers nicht beeinträchtigen;
4. das Lager innert einiger Jahre verschlossen werden kann.

3 Das ENSI wird beauftragt, spezifische Auslegungsgrundsätze für geologische Tiefenlager in Richtlinien zu regeln.“

„Art. 64 Elemente eines geologischen Tiefenlagers

Ein geologisches Tiefenlager besteht aus dem Hauptlager zur Aufnahme der radioaktiven Abfälle, aus einem Pilotlager und aus Testbereichen.

Art. 65 Testbereiche

1 In den Testbereichen sind die sicherheitsrelevanten Eigenschaften des Wirtgesteins zur Erhärtung des Sicherheitsnachweises standortspezifisch vertieft abzuklären.

2 Vor Inbetriebnahme des Tiefenlagers sind die sicherheitsrelevanten Techniken zu erproben und deren Funktionstüchtigkeit nachzuweisen. Das betrifft insbesondere:

1. das Einbringen des Verfüllmaterials;
2. das Entfernen des Verfüllmaterials zwecks allfälliger Rückholung von Abfallgebinden;
3. die Technik zur Rückholung von Abfallgebinden.

3 Während des Betriebs des Tiefenlagers ist die Versiegelung von Kavernen und Stollen zu erproben und deren Funktionstüchtigkeit nachzuweisen.

Art. 66 Pilotlager

1 Im Pilotlager ist das Verhalten der Abfälle, der Verfüllung und des Wirtgesteins bis zum Ablauf der Beobachtungsphase zu überwachen. Bei der Überwachung sind im Hinblick auf den Verschluss Daten zur Erhärtung des Sicherheitsnachweises zu ermitteln.

2 Die Ergebnisse der Überwachung müssen auf die Vorgänge im Hauptlager übertragbar sein. Sie bilden eine Grundlage für den Entscheid über den Verschluss des Tiefenlagers.

3 Bei der Auslegung des Pilotlagers sind folgende Grundsätze zu beachten:

1. Die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse müssen mit denjenigen des Hauptlagers vergleichbar sein.
2. Das Pilotlager muss vom Hauptlager räumlich und hydraulisch getrennt sein.
3. Die Bauweise des Pilotlagers und die Art der Einlagerung der Abfälle und der Verfüllung müssen dem Hauptlager entsprechen.
4. Das Pilotlager muss eine repräsentative kleine Menge von Abfällen enthalten.

Art. 67 Verfüllung

1 Der Eigentümer eines geologischen Tiefenlagers hat nach Einlagerung der Abfallgebinde die Lagerkavernen und -stollen zu verfüllen.

2 Er hat die Verfüllung so vorzunehmen, dass die Langzeitsicherheit gewährleistet und eine Rückholung der Abfälle ohne grossen Aufwand möglich ist.“

Mit diesen Vorschriften sind die meisten technischen Anliegen der EKRA rechtlich weitgehend umgesetzt. Anders die NAGRA: in ihrem technischen Bericht 09-06, Fig. 1.3 aus dem Jahr 2009 ist das Pilotlager noch immer über einen Stollen mit dem Hauptlager verbunden, räumlich wie hydraulisch (Figur 2). Auch auf dem heutigen Internet-Site der Nagra (z.B. https://www.nagra.ch/fr/depotsdha.htm) sind die Lager noch räumlich und hydraulisch verbunden. Die Nagra setzt sich damit über die gesetzliche Regelung hinweg.

Zu erwähnen bleibt auch Artikel 37 des Kernenergiegesetzes, der die Rückholbarkeit explizit definiert.

„Art. 37 Betriebsbewilligung

1 Für geologische Tiefenlager wird die Betriebsbewilligung erteilt, wenn zusätzlich zu den Voraussetzungen nach Artikel 20 Absatz 1:

1. die während des Baus gewonnenen Erkenntnisse die Eignung des Standortes bestätigen;
2. die Rückholung der radioaktiven Abfälle bis zu einem allfälligen Verschluss ohne grossen Aufwand möglich ist.

…… „

Referenzen

KEG 732.1, Kernenergiegesetz vom 31. März 2003

KEV 732.11, Kernenergieverordnung vom 10. Dezember 2004.

EKRA, Expertengruppe Entsorgungskonzepte für radioaktive Abfälle 2000: Entsorgungskonzepte für radioaktive Abfälle: Schlussbericht. Bern: Bundesamt für Energie.

Nagra 2009 : The Nagra Research, Development and Demonstration (RD&D) Plan for the Disposal of Radioactive Waste in Switzerland. Technical Report 09-06, Wettingen.

[1] Die Frage der Abfallform, v.a. Verglasung, Zement oder andere Abfallmatrix, werden wir in diesem Blog demnächst ausführlicher diskutieren