Im Rahmen der repräsentativen vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen (rvSU) in Schritt 2 der Phase I des Standortauswahlverfahrens werden Gebiete hinsichtlich ihrer Eignung für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle bewertet. Die Bewertung basiert auf regulatorischen Vorgaben (StandAG; EndlSiUntV; EndlSiAnfV). Dabei nehmen hydrogeologische Aspekte im Standortauswahlverfahren an mehreren Stellen eine zentrale Rolle ein. Dazu zählen:

• die Beschaffung und Auswertung hydrogeologischer Daten und regionaler Beschreibungen,
• die Beschreibung möglicher zukünftiger geogener Entwicklungen des Endlagersystems (FEP-Kataloge),
• die Modellierung des Radionuklidtransports,
• die Anwendung und Interpretation hydrogeologischer Bewertungskriterien sowie der Indikatoren der geowissenschaftlichen Abwägungskriterien (geoWK).

Eine wesentliche Herausforderung bei der Durchführung der Arbeiten in der ersten Phase des Standortauswahlverfahrens ist die begrenzte Datenlage, welche bei hydrogeologischen Modellierungen und Bewertungen zu Ungewissheiten führt und deren Aussagekraft beschränkt. Erst in der zweiten Phase des Verfahrens können neue Daten durch Erkundungsarbeiten für die Standortregionen erhoben werden.

Im Rahmen der in Phase II anzuwendenden weiterentwickelten vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen (wvSU) müssen sowohl eine Reihe zusätzlicher Themen mit Bezug zur Hydrogeologie bewertet werden als auch die bereits existierenden Themen in deutlich höherer Detailtiefe behandelt werden. Zu nennen sind dabei z.B. Dilatanz, Fluiddruck, Kritikalität, Dosis, Biosphäre und Hydrochemie sowie Weiterentwicklungen in der Modellierung, beispielsweise die Erstellung von dreidimensionalen THMC-Modellen unter Berücksichtigung möglicher Entwicklungen des Endlagersystems.

Von großer Bedeutung für eine optimale Bearbeitung dieser Themen ist die Verwendung effizienter Werkzeuge für die Datenanalyse und Wissensorganisation. Hinsichtlich der Durchführung der numerischen Simulationen ist ebenfalls die Anwendung effizienter Verfahren wichtig. Von zunehmender Bedeutung ist dabei die Einbeziehung von Methoden des Maschinellen Lernens.

Literaturverzeichnis

EndlSiAnfV: Endlagersicherheitsanforderungsverordnung vom 6. Oktober 2020 (BGBl. I S. 2094). EndlSiAnfV.

EndlSiUntV: Endlagersicherheitsuntersuchungsverordnung vom 6. Oktober 2020 (BGBl. I S. 2094, 2103). EndlSiUntV.

StandAG: Standortauswahlgesetz vom 5. Mai 2017 (BGBl. I S. 1074), das zuletzt durch Artikel 8 des Gesetzes vom 22. März 2023 (BGBl. 2023 I Nr. 88) geändert worden ist. StandAG, zuletzt geprüft am 17.01.2025.

Im Rahmen des Standortauswahlverfahrens für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle werden als mögliche Wirtsgesteine Steinsalz, Tongestein und Kristallingestein betrachtet. Kristallingestein nimmt unter den möglichen Wirtsgesteinen für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle eine besondere Rolle ein. Es zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit, hohe Gesteinsstabilität, geringe Wärmeempfindlichkeit sowie eine geringe Wasserdurchlässigkeit aus. Allerdings weisen kristalline Gesteine häufig Diskontinuitäten wie Klüfte oder Störungen auf. Je nach deren Eigenschaften – etwa Häufigkeit, Größe, Vernetzung, Öffnungsweite oder Füllung – können sie die Wasserführung im Gestein beeinflussen. Diese strukturellen Besonderheiten haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf die Bewertung potenzieller Standorte im Kristallingestein. Die Kenntnis über die Grundwasserströmungsverhältnisse und die potenziellen Transportpfade freigesetzter Radionuklide im Umfeld eines möglichen Endlagerstandorts für radioaktive Abfälle ist ein zentraler Aspekt sowohl im Standortauswahlverfahren als auch für den Sicherheitsnachweis eines Endlagers.

Seit 1994 wird der Open-Source-Simulationscode d³f++ (distributed density driven flow) (Fein et al., 1999; Schneider et al., 2020) in gemeinsamen Projekten der GRS und verschiedenen Universitäten entwickelt. Ziel ist es, die dichteabhängige Grundwasserströmung sowie den Radionuklidtransport unter Berücksichtigung aller relevanten Wechselwirkungen für die Langzeitsicherheitsanalyse in großen, hydrogeologisch komplexen Gebieten und über lange Zeiträume effizient zu modellieren. In den letzten Jahren wurde der Code insbesondere für die Simulation von Strömungsprozessen in geklüfteten Gesteinen weiter optimiert.

Vorgestellt werden Ergebnisse verschiedener sicherheitsanalytischer Untersuchungen im Kristallingestein (Müller et al., 2025: Vorhaben SUSE, BMUKN FKZ 02E11577), Ergebnisse zur Modellierung und Analyse der Integrität eines einschlusswirksamen Gebirgsbereichs im Kristallingestein (Vorhaben CHRISTA-III, BMUKN FKZ 02E12042) und Modellrechnungen für den „Performance Assessment (PA) Task“ für Kristallingestein des internationalen DECOVALEX-Projektes (Vorhaben HYMNE-II, BMUKN FKZ 02E12012).

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

Müller, Chr., Flügge, J., Burlaka, V., Hassanzadegan, A., Johnen, M., Leonhard, J., Meleshyn, A., Richter, L., Wang, X., Wunderlich, A., Zhao, H.: Safety Analytical Investigations on Repository Systems in Crystalline Rocks. Abschlussbericht. BGETECHNOLOGY, BGE TEC 2025-01, Peine, 2025

Schneider, A., Conen, N., Gehrke, A., Hilbert, J., Knodel, M., Kröhn, K.-P., Lampe, L., Larisch, L., Lemke, B., Nägel, A., Schön, T., Salfelder, F., Stepniewski, M., Wittum, G., Zhao, H.: Hydrogeological Modelling at a Regional Scale. Abschlussbericht, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, GRS-750, Braunschweig, 2023.

Hydromechanische Prozesse wie die Scherung von Klüften spielen in verschiedenen geowissenschaftlichen Anwendungen, wie beispielsweise der nuklearen Endlagerung, eine große Rolle und können zu einer spannungsabhängigen Öffnung oder Schließung von Klüften führen. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die scherungsinduzierte Permeabilitätsentwicklung einer natürlichen Sandsteinkluft unter Verwendung eines gekoppelten Modellierungsansatzes zu untersuchen. Durch die Kombination eines mechanischen DEM-Modells mit einem hydraulischen FE-Modell lassen sich während der Scherung drei normale spannungsbezogene hydromechanische Regime identifizieren. Unter niedrigen Normalspannungen (< 4,0 MPa) wird die Permeabilität während der Scherung aufgrund der Dilatation auf den intakten Unebenheiten (Rauigkeiten) erhöht. Mit zunehmender Normalspannung brechen diese Unebenheiten und es bilden sich Fließwege, was zu einem normalspannungsbezogenen Übergang von der Öffnung zur Kluftschließung führt. Dieser Übergang wird bei der Zugfestigkeit des Gesteins bei ca. 4,0 MPa beobachtet. Eine Normalspannung von mehr als 4,0 MPa führt zu einem fast vollständigen hydraulischen Verschluss der Klüfte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es während der Scherung von Klüften sowohl zur Erhöhung als auch zum vollständigen Verlust der Permeabilität kommen kann.

Die Schachtanlage Asse II bei Wolfenbüttel ist ein über 100 Jahre altes Salzbergwerk, in dem bis 1964 Stein- und Kalisalze abgebaut wurden. Im Zeitraum von 1967 bis 1978 wurden im Auftrag des Bundes rund 47.000 m³ schwach- und mittelradioaktive Abfälle eingelagert. Seit 1988 fließen NaCl- und CaSO₄-gesättigte Grundwässer aus dem Deckgebirge der Schachtanlage Asse II zu.

Erklärungen zur Herkunft des Lösungszutritts blieben seit seiner Entdeckung 1988 zunächst vage. In den letzten 5 Jahren konnten jedoch umfangreiche Erkundungsprogramme neue Erkenntnisse liefern. Vor allem die Ergebnisse der 3D-Seismik liefern ein deutlicheres Bild über den strukturellen Aufbau des Grenzbereiches Salinar/Hutgestein und der Lagerungsverhältnisse der Schichten sowie des tektonischen Inventars des mesozoischen Deckgebirges.

Hierbei konnten eine Reihe von bisherigen Erkenntnissen deutlich plausibler eingeordnet werden. So konnten über ¹⁴C ermittelte Grundwasseralter im Deckgebirge geringdurchlässigen Störungen, die vielfach eine V-Form ausgehend vom Hutgestein zur Oberfläche bilden, zugeordnet werden. Über Zeiträume in der Größenordnung 1-4 · 10³ a fließen meteorische Wässer langsam dem Salzspiegel zu, wobei sie zunehmend mineralisiert werden. An der Basis des Hutgesteins selbst befindet sich eine Karststruktur, welche Subrosionsgerinne genannt wird. Die Durchlässigkeit dieses Subrosionsgerinnes erreicht im Nordwesten der Asse-Struktur k_f-Werte in der Größenordnung von 3 ·10^-3 m/s, welche durch Tracer-Versuche in den 1980ern ermittelt wurden. Der Grundwasserdruckspiegel in diesem Subrosionsgerinne ist vergleichsweise niedrig gegenüber denjenigen in den mesozoischen Formationen des Deckgebirges.

Die im Subrosionsgerinne fließenden Grundwässer haben im Nordwesten eine Verbindung zur Oberfläche. In diesem Bereich fällt die Asse morphologisch zum Braunschweig-Gifhorn-Trog hin ab. Die mit der Trogbildung verbundenen Staffelstörungen schaffen eine hydraulische Verbindung zur Oberfläche. Die Folge sind Quellaustritte mit teilweise erhöhter Mineralisierung, wobei aufgrund der quartären Überdeckung von Mischsignaturen auszugehen ist, was sich auch in der isotopischen Zusammensetzung der Quellwässer zeigt.

Im zentralen Teil der Asse besteht die Vermutung, dass das Subrosionsgerinne sowohl eine Anbindung an die 1906 ersoffene Schachtanlage Asse I (über den Hauptanhydrit) als auch an die Schachtanlage Asse II (über den Rötanhydrit der Südflanke) hat.

Die Auswertung der 3D-Seismik zeigt ein deutliches Relief im Bereich der Hutgesteinsbasis, so dass das Subrosionsgerinne ein verzweigtes System bildet.

Neben dem holozänen System Oberfläche-Störungen-Subrosionsgerinne befinden sich im Deckgebirge in den Tiefbohrungen, die im Unteren Muschelkalk verfiltert sind, stark mineralisierte Tiefenwässer mit erheblich erhöhten ⁴He-Gehalten, was auf fossile Grundwässer pleistozänen Alters schließen lässt. Eine Interaktion zwischen diesen beiden Grundwassersystemen gilt als unwahrscheinlich.

Bildunterschrift: Vereinfachtes geologisches Modell auf Basis der Ergebnisse der 3D-Seismik (Schnitt senkrecht zum Streichen der Asse) und interpretierte Fließpfade sowie die Lage ausgewählter Bohrungen, Schächte und Grundwassermessstellen.

In das ehemalige Salzbergwerk Schachtanlage Asse II bei Wolfenbüttel (siehe Kurzfassung Führböter et al.) fließen seit 1988 gesättigte Salzlösungen aus dem Deckgebirge zu. Im Rahmen der hydrogeologischen Standortüberwachung werden die Grundwässer und Salzlösungen im triassischen Deckgebirge und der Lösungszutritt in die Schachtanlage untersucht. Seit 2008 sind auch verschiedene natürliche Radionuklide der Uran- und Thorium-Zerfallsreihen Teil des Untersuchungsprogramms.

Im Folgenden stehen die natürlichen Radionuklide des Radiums (Ra-224, Ra-226, Ra-228) sowie Radon (Rn-222) im Vordergrund: Aus dem Verständnis der Prozesse, die ihre Genese und ihren Transport bestimmen, können Erkenntnisse (a) zum hydrogeologische Systemverständnis der Asse im Allgemeinen und (b) speziell zur Herkunft des Lösungszutritts abgeleitet werden.

Ra-226 und Rn-222 sind Teil der Uran-238-Zerfallsreihe, während Ra-228 und Ra-224 zur Thorium-232-Zerfallsreihe gehört (siehe Abbildung). Die Mutternuklide (Ra-226: 1600 a; Ra-228: 5,75 a) weisen jeweils eine bedeutend längere Halbwertzeit auf als die Tochternuklide (Rn-222: 3,82 d; Ra-224: 2,63 d). Die Massenkonzentration dieser Radionuklide ist so gering, dass sie i.d.R. nur gammaspektroskopisch durch ihre Aktivität bestimmt werden können. Die wesentlichen Prozesse zur Genese und zum Transport der natürlichen Radionuklide in Lösungen sind (i) Verwitterung, (ii) alpha-Rückstoß aus dem Zerfall von Uran- und Thoriumnukliden in Gesteinen des Deckgebirges (das Zechsteinsalinar ist i.d.R. nahezu frei von diesen Nukliden), (iii) Sorption und Ausfällung sowie (iv) Produktion und Zerfall.

Innerhalb oberflächennaher Gebirgsbereiche der Asse sind die Aktivitätskonzentrationen (AKZ) der natürlichen Radionuklide in den Grundwässern i.d.R. sehr gering (<Nachweisgrenze oder etwas darüber), was in erster Linie durch die starke Sorption bei den chemisch-physikalischen Bedingungen und der geringen Mineralisierung der Wässer bedingt ist.

In tieferen Bereichen des Deckgebirges (>300 m u. GOK) zeigen die Lösungen, bedingt durch die geringe Sorption bei den dort hoch mineralisierten Lösungen, tendenziell höhere AKZ der natürlichen Radionuklide, wobei:

1. im Unteren Muschelkalk die hohe AKZ von Ra-226 (bis 12.7 Bq/l) bei tiefen Ra-228/Ra-226-Verhältnissen, die typische Zusammensetzung (Th-arm, U-reich) der Kalksteine widerspiegelt und
2. im Buntsandstein die moderat hohe AKZ des Ra-228 und tiefere AKZ des Ra-226 (hohes Ra-228/Ra-226), die Th-reiche Gesteinszusammensetzung reflektiert. Die AKZ-Verhältnisse der Tochter- zu Mutternukliden (z.B. Ra-224/Ra-228) sind hier oft nahezu ausgeglichen, was für ein sog. Dauergleichgewicht spricht (stationäre Bedingungen).

Am Lösungszutritt in der Schachtanlage zeigen sich moderat hohe AKZ der langlebigen Radionuklide, wobei die AKZ von Ra-226 etwas unter der des Ra-228 liegt. Damit ist ihre Radionuklidsignatur gut vergleichbar zum Buntsandstein im Deckgebirge, schließt aber eine signifikante Zumischung von Lösung aus dem Muschelkalk aus. Dahingegen sind die kurzlebigen Radionuklide (Ra-224, Rn-222) erhöht, was ein markantes Ungleichgewicht der Verhältnisse Tochter-/Mutternuklid bedingt. Dies deutet auf eine schnelle Lösungsbewegung im Deckgebirge unterhalb des Salzspiegels (~Jahre) und eine kurze Aufenthaltszeit im Zechsteinsalinar (~Tage–Wochen).

Bildunterschrift: Systematik der wesentlichen Prozesse beim Transport der natürlichen Radionuklide in Lösung entlang der U-238- und Th-232-Zerfallsreihe.

Dieser Tagungsbeitrag soll exemplarisch an einer Tonformation aufzeigen, welcher Informationszugewinn mittels Messung und Interpretation der im Porenwasser (PW) gelösten Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe) aus einer vergleichsweise oberflächennahen Abfolge der Opalinuston-Formation (< 250m) bei Blumberg-Hondingen, Baden-Württemberg, möglich wird. Dazu wurden Edelgasprofile im PW eines Bohrkerns analysiert, der die gesamte Opalinuston-Formation durchdringt [1]. Ziel der Untersuchungen war die Charakterisierung des Transportregimes einer solchen Tonbarriere. Insgesamt wurden vierzehn Porenwasserproben zwischen 93 m und 236 m Bohrtiefe entnommen, die meisten davon aus dem Opalinuston. Das Probenahmeverfahren folgte den Richtlinien für Bohrkernproben der jüngsten Nagra-Tiefbohrkampagne [2], die ihrerseits verfeinerte Verfahren von ursprünglich in Deutschland [3,4] und der Schweiz [5] entwickelten Methoden waren.

Wir zeigen Tiefenprofile von ⁴He-Konzentrationen und ³He/⁴He- und ⁴⁰Ar/³⁶Ar-Isotopenverhältnissen, Wassergehalt, U-, Th- und K-Konzentrationsdaten. Darüber hinaus vergleichen wir die Daten mit numerischen Simulationsergebnissen des reaktiven 1D-Stofftransports über die 134 m mächtige Opalinuston-Formation mittels PREEQC. Diese Daten werden von einer vollständigen Reihe von Ne-, Ar-, Kr- und Xe-Konzentrationen und Isotopenverhältnissen von ^20,21,22Ne, ^36,38,40Ar und ^{128,129,130,131,132,134,136}Xe flankiert. Die analysierten Edelgasprofile können durch Diffusion als alleinigem Transportprozess vollständig erklärt werden. Auf Basis der beiden radiogenen Edelgasisotope ⁴He und ⁴⁰Ar, die im Untergrund durch natürlichen radioaktiven Zerfall entstehen und sich im PW akkumulieren können, werden Modellalter für das PW in der Opalinuston-Formation von 2,5 bis 3 Millionen Jahre berechnet. Da die Ne-Produktion im Untergrund vernachlässigbar klein ist und nachweislich keine Probenahmeartefakte vorliegen, interpretieren wir die beobachtete Ne-Untersättigung als das Resultat der Exklusion gelöster Komponenten im Porenraum im Verlauf der Kompaktion der Tonsedimente. So werden erstmals effektive Porositäten aus Edelgasdaten bestimmt, und zwar entlang eines ganzen Tiefenprofils, vergleichbar wie dies bereits für Anionen gezeigt wurde [6]. Schließlich zeigen die Elementkonzentrationen von ²⁰Ne, ³⁶Ar, ⁸⁴Kr und ¹³²Xe ein systematisches Fraktionierungsmuster, welches gut mit Modellierungen von sich sukzessive entleerenden engen Porenraum-Systemen übereinstimmt [7]. Wir interpretieren, dass sich seit der Kompaktion der Sedimente zwar für die Ne-Konzentration im gesamten 124 m langen Profil, nicht aber für die Xe-Konzentration ein diffusives Gleichgewicht mit der Atmosphäre einstellen konnte.

[1] K. Leu et al. 2023. Z. Dt. Ges. Geowiss. 174(1), 53-67, doi: 10.1127/zdgg/2023/0373.

[2] D. Rufer, M. Stockhecke 2021. NAB 19-13, Rev.1, NAGRA, Wettingen, Switzerland.

[3] J. Lippmann et al. 1997. Proc. Isotope Techn. Study of Past & Current Environ. Changes, Vienna, Austria, IAEA-SM-349/36.

[4] K. Osenbrueck, J. Lippmann, C. Sonntag 1998. Geochim. Cosmochim. Acta 62(18), 3041-3045, doi: 10.1016/S0016-7037(98)00198-7.

[5] A. P. Ruebel, et al. 2002. Geochim. Cosmochim. Acta 66(8), 1311-1321,
doi: 10.1016/S0016-7037(01)00859-6.

[6] C. Zwahlen, T. Gimmi, A. Jenni et al. 2024. Applied Geochemistry 162, 105841,
doi: 10.1016/j.apgeochem.2023.105841.

[7] T. Torgersen, B.M. Kennedy, M.C. van Soest 2004. Earth Planet. Sci. Lett. 226, 477-489, doi: 10.1016/j.epsl.2004.07.030.

Tongesteine sind extrem gering durchlässig und können bei Wasserzutritt ein ausgeprägtes Quellverhalten aufweisen, welches Wegsamkeiten in Diskontinuitäten verschließt („Selbstabdichtung“). Diese Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Wirtsgestein für geologische Tiefenlager. Beim Gesteinsquellen kommt es zu einer Quelldehnung und/oder die Spannungszustände ändern sich aufgrund des Quelldrucks. Beide Prozesse – das Entstehen von Quelldrücken und Quelldehnungen – haben Einfluss auf die Durchlässigkeit des Gesteins und können somit auch die Fließprozesse im Gestein beeinflussen. Das Verständnis dieser hydromechanisch gekoppelten Prozesse ist für die Planung und den sicheren Betrieb eines Tiefenlagers von großer Bedeutung.

Wir haben einen neuartigen Durchfluss-Quellversuch entwickelt. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Ermittlung der gesättigten Durchlässigkeit, der Spannung und der Quelldehnung von Tonsteinproben während des Quellens. Der Versuchsaufbau berücksichtigt die anisotropen Eigenschaften von Tonsteinen und geht davon aus, dass der Wasserfluss überwiegend parallel zur Schichtung verläuft, das Quellverhalten jedoch senkrecht zur Schichtung am stärksten ausgeprägt ist. Mittels Durchfluss-Mehrstufen-Quellversuchen wurde der Zusammenhang zwischen der gesättigten Permeabilität, der Quelldehnung und dem Spannungszustand untersucht. Das Hauptziel dieses Beitrags ist es, den Versuchsaufbau und die Durchführung der Quellversuche vorzustellen. Die Arbeiten haben jedoch auch zu ersten Ergebnissen geführt. Überraschenderweise blieb die gesättigte Permeabilität während der Durchfluss-Quellversuche nahezu konstant. Wir interpretieren dies als eine Zunahme der Permeabilität durch ein Erweitern der wasserwegsamen Diskontinuitäten (Schichtungsfugen) bei Entlastung, welche durch eine Abnahme der Permeabilität wegen des Schließens dieser Diskontinuitäten durch den Quellprozess kompensiert wird. Es sind jedoch weitere Experimente erforderlich, um unsere ersten Ergebnisse mit einer größeren Versuchsdatenbasis zu bestätigen.