Veranstaltungsprogramm

Für das Standortauswahlverfahren für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle in Deutschland müssen große Mengen an geologischen Daten gesammelt, verarbeitet und bewertet werden. Hinzu kommt eine Vielzahl weiterer Daten und Informationen, z.B. mit Blick auf die Betriebssicherheit. Während des aktuellen anliegenden Schritt 2 der Phase I des Standortauswahlverfahrens werden Daten aus 90 Teilgebieten der drei Arten von Wirtsgesteinen (Steinsalz, Tongestein und Kristallingestein) bearbeitet, welche über die Hälfte des Gebiets der Bundesrepublik Deutschland abdecken. In jedem dieser Teilgebiete muss gemäß dem Standortauswahlgesetz eine repräsentative vorläufige Sicherheitsuntersuchung durchgeführt werden, um den sicheren Einschluss der Abfälle zu bewerten. Nach dieser Bewertung, sowie erneuter Anwendung der geowissenschaftlichen Abwägungskriterien, werden die vielversprechendsten Bereiche als Standortregionen vorgeschlagen und in Phase II mit zunehmender Detailtiefe erneut betrachtet.

Rohdaten für die Teilgebiete kommen von unterschiedlichen Quellen, zumeist von den staatlichen geologischen Diensten. Zur Verwendung der Daten sind verschiedene Arbeitsschritte notwendig: Umwandlung in standardisierte Datenformate, Ableitung (Interpretation) von Daten aus Rohdaten, Zusammenführung von Daten mit vorhandenen Referenzdatensätzen und Verwendung in Modellen, Prüfung auf Plausibilität, etc. Auf diese Weise entstehen weitere Daten, mit welchen die Eignung eines Teilgebiets anhand definierter Kriterien bewertet wird.

Für das Standortauswahlverfahren ergibt sich so eine Kaskade von Rohdaten, Zwischenergebnissen und Kennzahlen, die durch verschiedenen Arbeitsschritte miteinander verknüpft sind. Diese Kaskade ist sowohl groß (es wurden mehr als 100 Arbeitsschritte identifiziert), als auch komplex, da eine hohe Abhängigkeit zwischen diesen Elementen besteht. Für den Umgang mit den daraus resultierenden Herausforderungen, stellen wir folgende Ansätze vor:

- Entscheidungen für die Öffentlichkeit müssen nach den regulatorischen Anforderungen transparent dargelegt und dokumentiert werden (StandAG § 1 Abs. 2). Die BGE strebt dabei an, den Datenfluss durchgehend "rückverfolgbar" zu gestalten.

- Ungewissheiten im Zusammenhang mit den Parametern müssen systematisch im Standortauswahlverfahren berücksichtigt werden (§ 11 EndlSiUntV). Die BGE plant hier, die Ungewissheitsmargen entlang des Datenflusses zu bewerten und zu dokumentieren.

- Verwendete Daten müssen konsistent in den verschiedenen Arbeitsschritten pro Teilgebiet verwendet werden. Das angestrebte Datenmanagement soll hierfür sicherstellen, dass Redundanz vermieden wird (Single-Point-of-Truth).

- Verfahren zur Handhabung von heterogenen Datenlagen je Teilgebiet müssen etabliert werden. Hierfür entwickelt die BGE u.a. Referenzdatensätze als „Ausweichoption“ für Gebiete mit weniger verfügbaren Daten entwickelt.

- Alle erforderlichen Eingaben müssen zum richtigen Zeitpunkt vorliegen und von unterschiedlichen Mitarbeiter*innen gleichermaßen getätigt werden können. Dies erfordert eine Standardisierung von Kommunikationswegen und Datenverwaltung, sowie die zeitliche Abstimmung der Arbeitsschritte.

Die hierzu entwickelten und vorgestellten Werkzeuge beinhalten ein Konzept zur Visualisierung der Datenflusswege, basierend auf einer Datenbank und einem Klassifikationssystem für die Daten und Ungewissheiten sowie eine Software zur interaktiven Navigation und Visualisierung des Datenflusses.

Radionuclide transport in crystalline rocks primarily occurs through preferential flow paths in fractures and faults. In deep tunnels experiencing high stress conditions, fractures are induced in the close vicinity of the tunnel walls, resulting in the creation of the Excavation Damage Zone (EDZ).

In this study, the EDZ of the 45-year-old Bedretto tunnel, located in the Bedretto Underground Lab for Geoscience and Geoenergies in Ticino, Switzerland, was characterized using a multi-disciplinary approach to assess its current hydrogeological-geotechnical conditions. Fracture distribution and associated geotechnical properties were measured on the tunnel wall, using manual and digital scanline approaches. Similar measurements were conducted on the rock cores drilled into the tunnel sidewall, along with geophysical measurements of the P-wave velocity, to assess the degree of micro-cracking. Permeability and transmissivity measurements were conducted in boreholes, on the tunnel wall and on core pieces/plugs, under both confined and unconfined conditions, using water and air/nitrogen as test fluids. High-resolution, high-frequency ground-penetrating radar (GPR) measurements were taken during injection in a time-lapse experiment. This unique, integrated dataset aims to characterize the EDZ in its current state after 45 years.

The hydraulic properties are linked to the abundance of macro-fractures in an about 25-60 cm deep EDZ. These fractures isolate intact rock spalls with micro-destruction. Permeability/transmissivity contrasts of a few orders of magnitude are observed in close proximity between open tunneling induced fractures, partially mineralized natural fractures and the granitic matrix. The origin of fractures is distinguishable by a visual inspection of cores, along the tunnel wall and by comparison of the fracture orientation distribution. Fractures in the EDZ are primarily oriented sub-parallel to the tunnel axis, where GPR measurements indicated continuous fractures on a decimeter scale with open apertures measuring 100 μm.

The effort provides a baseline for the coming PRECODE (Progressive Excavation Disturbance Zone Evolution during and Post Mine-by Tunnelling) experiment where a new tunnel is excavated with minimal excavation disturbance. The evolution of the EDZ will be monitored closely over several years for the described properties and more, thus improving our understanding of processes leading to an EDZ and describing the changes over time by the improvement of constitutive laws.

Die Kenntnis der Grundwasserströmungsverhältnisse und damit der möglichen Transportpfade freigesetzter Schadstoffe im Umfeld eines potenziellen Endlagerstandortes für radioaktive Abfälle sind wichtige Faktoren im Standortauswahlverfahren und für den Sicherheitsnachweis für ein Endlager. Der Code d³f++ (distributed density driven flow; Fein 1999 et al., Schneider et al. 2020) wird seit 1994 in Kooperationsprojekten der GRS mit verschiedenen Universitäten entwickelt mit dem Ziel, die dichteabhängige Grundwasserströmung und den Radionuklidtransport in porösen Medien mit allen für die Langzeitsicherheitsanalyse relevanten Wechselwirkungen für große, hydrogeologisch komplexe Gebiete in praktikablen Rechenzeiten zu simulieren. Weitere Anforderungen kamen hinzu, wie die thermohaline Strömung, diskrete Kluftnetzwerke, freie Grundwasseroberflächen mit Vorfluterankopplung sowie Permafrostmodelle. Inzwischen umfassen die Modellgebiete mehrere tausend Quadratkilometer Fläche, der Modellzeitraum eine Million Jahre, und die Betrachtung von Ungewissheiten spielt eine wachsende Rolle. Der Finite-Volumen-Code d³f++ basiert auf UG4 (Vogel et al. 2014). Von Beginn an wurden Techniken wie Gitteradaptivität und moderne, schnelle Löser wie geometrische und algebraische Mehrgitterverfahren für Parallelrechner eingesetzt. Derzeit liegt der Fokus auf LIMEX-Verfahren (Nägel et al. 2019). Im aktuellen Projekt HYMNEII (BMUV-FKZ 02E12012) wird d³f++ mit den Kluftgeneratoren dfnWorks (Hyman et al. 2015) und FracMan (Golder 2018) gekoppelt mit dem Ziel, automatisiert DFN- bzw. EPM-Modelle für Kluftnetzwerke sowie Kombinationen aus beiden in d³f++ einlesen und berechnen zu können.

Vorgestellt werden Modelle der Standorte Čihadlo und Kraví Hora aus dem Standortauswahlverfahren in der Tschechischen Republik sowie die Nachmodellierung eines Laborversuches zum Schadstofftransport in einer künstlich erzeugten, exakt vermessenen, sehr rauen Kluft in einem Granitblock im Rahmen des Projektes EURAD/DONUT.

Fein, E., Schneider, A. (eds.): d³f – Ein Programmpaket zur Modellierung von Dichteströmungen. Abschlussbericht. Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, GRS-139, Braunschweig 1999.

Golder Associates: FracMan Interactive Discrete Feature Data Analysis, Geometric Modeling and Exploration Simulation, User Documentation, v7.7, 2018.

Hyman, J.D., Karra, S., Makedonska, N., Gable, C.W., Painter, S.L., and Viswanathan, H.S. dfnworks: A discrete fracture network framework for model-ing subsurface flow and transport. Computers & Geosciences, 84:10–19, 2015.

Nägel A, Deuflhard P, Wittum G.: „Efficient Stiff Integration of Density Driven Flow Problems“, 2019 (eingereicht, verfügbar als ZIB-Report 18-54).

Schneider, A., Gehrke, A., Kröhn, K.-P., Zhao, H.: Groundwater Flow and Transport in Complex Real Systems. Final report, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, GRS-566, Braunschweig, 2020.

Vogel, A., Reiter, S., Rupp, M., Nägel, A., Wittum, G.: UG 4 - A Novel Flexible Software System for Simulating PDE Based Models on High Performance Computers. Comput Vis Sci, 16 (4), pp 165-179, 2014.

Die Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) hat ein untertägiges Erkundungsprogramm zur vergleichenden Bewertung möglicher Standorte für ein geologisches Tiefenlager für nukleare Abfälle durchgeführt. Zwischen 2019 und 2022 wurden in drei Standortregionen der Nordschweiz eine geneigte und acht vertikale Mehrzweck-Sondierbohrungen abgeteuft.

Im Rahmen dieser Arbeiten war die Horizont genaue Entnahme von Grundwasserproben und die Auswertung analytischer Daten von grundlegender Bedeutung, um solide Informationen über die Grundwasserzusammensetzung, die Entwicklung und die Verweilzeiten der Grundwässer zu erhalten, die die gering durchlässige Abfolge des Wirtsgesteins (Opalinuston) in den umgebenden Einheiten begrenzen.

Insgesamt wurden achtzehn Tiefengrundwasserproben aus Testintervallen im Jura (Malm; Dogger) und der Trias (Keuper; Muschelkalk) in Tiefen zwischen ca. 350 m und 1150 m unter GOK erfolgreich entnommen. Im Folgenden werden ausgewählte Highlights und Erkenntnisse zur Ableitung des Grundwasserverweilzeit (⁸¹Kr-Modellalter) für Proben aus den fünf untersuchten Malm-Intervallen vorgestellt:

• Um den technischen Herausforderungen bei den tiefen Erkundungsbohrungen (geringe Grundwasserförderraten und Pumpzeiten) zu begegnen wurden Werkzeuge zur Bewältigung entwickelt und eingesetzt.
• Die radioaktiven Isotopenparameter Krypton-81 (T_1/2 229 ± 11 ka) und Krypton-85 (T_1/2 10,76 a) wurden in den wenig produktiven, stark gasführenden Malm Grundwässern erfolgreich beprobt und analysiert.
• Für die Korrektur der Kontamination mit Luft (Probenahme vor Ort, Entgasung, Aufbereitung usw.) dienten die atmosphärischen Krypton-85 Aktivitäten (BfS-Station Schauinsland).
• Zur Ableitung der Untergrenzen der jeweiligen ⁸¹Kr-Modellalter wurden konservative Szenarien verwendet.
• Die kombinierten Isotopen-, Edelgas- und Hydrochemie-Daten trugen dazu bei, die Grundwassermischungen, die Wasser-Gesteins-Interaktion (incl. potenzieller diffusiver Gasaustausch) und die Modellalter weit über die klassische ¹⁴C-DIC/DOC-Methode hinaus zu identifizieren.

Wir zeigen, dass selbst unter schwierigen Betriebsbedingungen ein hohes Qualitätsniveau für Daten aus wenig produktiven, gasreichen Tiefengrundwässern erreicht werden kann.

Die gewonnenen Isotopendaten des Grundwassers sind relevante, hochinformative Datensätze zur Präzisierung des Standortmodells, das im Rahmen des Standortauswahlverfahrens für das Tiefenlager nuklearer Abfälle erforderlich wird.

Abb. Tektonische Übersichtskarte mit den drei untersuchten Standortregionen und Lage der Mehrzweck-Sondierbohrungen.

The Opalinus Clay is a Mesozoic argillaceous rock with a high clay content. Due to its low permeability and favourable sealing properties it is foreseen as host rock for a radioactive repository in northern Switzerland where it occurs at depths of 600 – 900 m below surface. In the assessment of the safety of a geological waste repository, different likely and less likely scenarios are commonly considered, also including erosion scenarios above a future repository. In this context, a borehole in the community of Lausen (located about 15 km SE of the city of Basel), which penetrated across the weathered and unweathered Opalinus Clay down to 146 m depth, was investigated in terms of its hydrogeological and geochemical characteristics.

Porosity data reveal a progressive decompaction of the top 30 m of the Opalinus Clay which is accompanied by intense fracturing but also an increasing amount of the swelling smectitic clay fraction. In parallel, oxidation phenomena become progressively more important towards the top of the weathering zone, which is manifested by the decrease of the Fe²⁺/Fe³⁺ ratio, siderite and pyrite and the increasing occurrence of goethite. Oxidation processes have furthermore induced the dissolution of organic matter and calcite, the latter being completely absent in the top metres. Chemical and isotopic data in the porewaters suggest the buildup of a diffusion profile below the weathering zone (Fig. 1). Conversely, the patterns within the weathering zone are more complex, revealing a strong negative excursion of d¹⁸O und d²H signals at about 20 m depth which is not observed in the chemical data. Groundwater sampled in the weathering zone indicate reducing conditions, confirming some remaining reducing capacity in the highly oxidised rock.

Fig. 1 Depth profiles of Cl (left) and d¹⁸O (right) in porewater derived from experimental data and diffusion modelling.

The combined information on rock, porewater and groundwater characteristics as well as modelling of tracer transport enabled to unravel the palaeo evolution at the site. The massive weathering zone is explained by the long-term exposure of the Opalinus Clay to unsaturated and oxidising conditions occurring during cold and arid periods of the Pleistocene. This resulted in extensive fracturing and advective conditions, ingress of gaseous O₂ and most oxidation phenomena observed today. According to transport modelling the buildup of the observed curved diffusive profiles has occurred during the last 50-60 ka. At the onset of the Holocene, a rise in groundwater table led to a self-sealing of fractures and the re-establishment of a diffusive regime in the weathered zone. Moreover, conditions in the porewater and groundwater became anaerobic thanks to the remaining reducing capacity of the rock.

Modelle und Simulationen ermöglichen Prognosen, wie Prozesse in der Geosphäre in Zukunft ablaufen könnten, unter Berücksichtigung physikalischer und chemischer Gesetzmäßigkeiten. Sie sind die einzige Möglichkeit, Szenarien und Hypothesen zu testen und die langfristige Entwicklung eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle zu bewerten, z. B. durch die Quantifizierung der potenziellen Radionuklidmigration im hydrogeologischen System des sogenannten einschlusswirksamen Gebirgsbereichs (ewG). Die Charakterisierung der Hydrogeologie und die Abschätzung ihrer potenziellen Veränderungen ist von entscheidender Bedeutung. Transportprozesse von Radionukliden werden durch die geochemischen Bedingungen innerhalb einer Formation gesteuert (Hennig et al., 2020; Hennig und Kühn, 2021, 2022, 2023), die wiederum durch Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und die hydrogeologische Situation selbst bestimmt werden.

Anhand eines Beispiels wird gezeigt, wie stark die Migrationslängen über eine Million Jahre variieren können, je nach hydrogeologischem Umfeld. Die Migration von Uran wird für zwei verschiedene hydrogeologische Systeme im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston (Schweiz) mit reaktiven Transportsimulationen untersucht. Die geochemischen Bedingungen beider Systeme werden auf der Grundlage ihrer paläohydrologischen Entwicklung modelliert und dienen als Ausgangsbedingungen für die Simulationen. Am Mont Terri liegt ein Gradient in der Porenwassergeochemie in Richtung der angrenzenden Aquifere vor (Abb. 1a), der zu einer maximalen Migration von 80 m führt (Hennig und Kühn, 2021, 2022). Im Gegensatz zur Mont Terri Antiklinale ist der Opalinuston im Gebiet von Schlattingen tektonisch undeformiert. Daher sind die geochemischen Bedingungen konstant mit leicht abnehmenden Konzentrationen der Porenwasserkomponenten zum Grundwasserleiter hin (Abb. 1b) und einer maximalen Migrationslänge von 16 m (Hennig und Kühn, 2023). Die Uranmigration variiert über mehrere zehner Meter.

Die Zuverlässigkeit der Modelle beruht auf dem Vergleich von Laboruntersuchungen mit den Daten aus Bohrlöchern und dem Felslabor Mont Terri. Für beide Beispiele stimmt die simulierte Porenwassergeochemie mit den Messdaten überein. Der Unterschied der Migrationslängen zwischen den Lokationen Mont Terri und Schlattingen verdeutlicht, dass konstante geochemische Bedingungen ohne Konzentrationsgradient innerhalb eines ewG für eine sichere Endlagerung zu bevorzugen sind. Die Migrationslängen von Radionukliden hängen stark von der räumlichen und zeitlichen Variation der hydrogeochemischen Bedingungen ab.

Abb. 1:
Simulierte Uranmigration (grün) im hydrogeologischen Opalinuston-System am Mont Terri (a) und Schlattingen (b) nach einer Simulationszeit von 1 Ma. Die Standorte unterscheiden sich in ihrem Profil der Porenwassergeochemie aufgrund der lokalen hydrogeologischen Gegebenheiten, hier exemplarisch anhand von Chlorid (blau) gezeigt.

Referenzen

Hennig, T. und Kühn, M. (2023): Adv. Geosci., 62, 21–30, DOI: 10.5194/adgeo-62-21-2023

Hennig, T. und Kühn, M. (2022): Adv. Geosci., 58, 11-18. DOI: 10.5194/adgeo-58-11-2022

Hennig, T. und Kühn, M. (2021): Minerals, 11, 1087. DOI: 10.3390/min11101087

Hennig, T., et al. (2020): Appl. Geochem., 123, 104777. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2020.104777

Pearson, F. J., et al. (2003): Reports of the Federal Office for Water and Geology, Geology Series no. 5, ISBN: 3-906723-59-3

Wersin, P., et al. (2016): Chem. Geol., 434, 43–61, DOI:10.1016/j.chemgeo.2016.04.006