Wie mächtig sollte Ton als Wirtsgestein für ein Endlager sein?

Wie mächtig sollte Ton als Wirtsgestein für ein Endlager sein? Theresa Hennig hat simuliert, wie geochemische Konzentrationsgradienten die Migration von Uran im Tonstein beschleunigen.

Zusammenfassung

Ton zählt zu den möglichen Wirtsgesteinen für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle. Dass etwa Opalinuston ein sehr gutes Rückhaltevermögen für Radionuklide wie Uran besitzt, wurde in Experimenten bereits gezeigt. Allerdings spiegeln sie die realen geochemischen Bedingungen einer Langzeitlagerung nur bedingt wider. Mithilfe von numerischen Simulationen haben Theresa Hennig und Michael Kühn, beide vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und der Universität Potsdam, erstmals gezeigt, wie sich die zeitlich und räumlich veränderliche Porenwasser-Geochemie im Tonstein auf Sorptions- und Transportbedingungen von Radionukliden auswirken. Zwar ist gemäß der neuen Modelle eine stärkere Migration von Uran über einige zehn Meter zu erwarten, wenn das Wirtsgestein jedoch eine Mächtigkeit von wenigstens 100 Metern besitzt, wie im Standortauswahlgesetz gefordert, wird zentral eingebrachtes Uran in diesem Fall auch nach einer Million Jahren effektiv vor den angrenzenden Grundwasserleitern zurückgehalten. Die Untersuchung wurde im Fachmagazin Minerals veröffentlicht. Jetzt wurde Hennig mit ihrer Arbeit über dieses Thema promoviert.

Hintergrund: Endlagersuche

Die Suche nach dem geeigneten Wirtsgestein ist eine wichtige Grundlage für ein atomares Endlager, in dem hochradioaktiver Abfall für mehr als eine Million Jahre sicher eingeschlossen werden soll. Neben kristallinem Gestein wie Granit oder Steinsalz gehört auch Tonstein zu den möglichen Formationen. Opalinuston, wie er in der Schweiz und in Deutschland vorkommt, besitzt ein sehr gutes Rückhaltevermögen für Radionuklide, also radioaktive Substanzen wie Uran, die beispielsweise in hohem Maß in abgebrannten Brennstäben von Kernkraftwerken enthalten sind. Darüber hinaus sind Tonsteine kaum durchlässig und erlauben nur einen diffusiven, also sehr langsamen Transport durch den vorhandenen Porenraum. Das wurde in vielen Laboratorien sowie in Vor-Ort-Experimenten nachgewiesen.

Experimente reichen nicht

Die Experimente werden üblicherweise unter konstanten und geochemisch homogenen Versuchsbedingungen durchgeführt. Zum Beispiel auch im Untertagelabor am Mont Terri in der Schweiz.

„Für das Radionuklid Uran hat sich aber z. B. gezeigt, dass Sorption und Diffusion, also die Rückhaltefähigkeit und der Transport im Ton, sehr stark von Änderungen in der Geochemie des Porenwassers beeinflusst werden“, erläutert Theresa Hennig, Erstautorin der Studie. Ursache hierfür sind diverse Wechselwirkungen zwischen den Tonmineraloberflächen und den Ionen im Porenwasser. Der Tonstein ist von Grundwasserleitern umgeben und mit diesen über Jahrmillionen im diffusiven Austausch. Durch die daher veränderte Porenwasser-Geochemie können sich Sorption und Diffusion im Wirtsgestein je nach Zeit und Ort um eine oder mehrere Größenordnungen unterscheiden. Folglich lassen sich die Transportparameter, die in einzelnen Experimenten punktuell ermittelt wurden, nicht unter allen Umständen auf die geochemische Bedingungen an anderen Orten und zu anderen Zeiten übertragen.

Numerische Simulationen unerlässlich für die Sicherheitsbewertung potenzieller Endlager

Weil die räumlichen und zeitlichen Skalen, die für die Sicherheitsbewertung potenzieller Endlager zu berücksichtigen sind, sehr groß und sehr lang sind, sind numerische Simulationen unerlässlich, um die potenzielle Migration von Radionukliden zu quantifizieren. Denn Experimente im Labor wie im Feld können immer nur eine sehr kleine räumliche und sehr kurze zeitliche Skala abdecken.

„Mit dem von uns gewählten Ansatz wird zum ersten Mal der Einfluss wechselnder geochemischer Bedingungen auf die Sorption und den diffusiven Transport von Uran auf der Wirtsgesteinsskala für eine Million Jahre quantifiziert. Damit können wir auch Aussagen über die Ungewissheit experimentell bestimmter Transportparameter treffen“, sagt Theresa Hennig.

Der Simulationsansatz

Hennig und Kühn haben zunächst die mineralogische und geochemische Beschaffenheit des Opalinustons in seiner hydrogeologischen Umgebung simuliert, wie es den Gegebenheiten am Mont Terri in der Schweiz entspricht. Weitere Grundlage waren Kenntnisse aus der geologischen Entwicklung des Gebietes: Der Opalinuston ist eingebettet zwischen Kalksteinen, Mergeln und Schiefer und wurde erst mit Hebung des Juragebirges und der nachfolgenden Erosion durch infiltriertrierendes Süßwasser beeinflusst. Hieraus ergeben sich – kalibriert mit an Feldproben gemessenen Chloridprofilen – die benötigten Porenwasserprofile als Ausgangsbedingungen.

Unter der Annahme, das sich ein potenzielles Endlager in der Mitte der Tonschicht befindet, wurde dann simuliert, wie Uran unter diesen geochemisch heterogenen Bedingungen über einen Zeitraum von einer Million Jahre migriert und wie mächtig der Tonstein sein muss, um als Barriere zu dienen.

Bei ausreichend mächtiger Tonsteinschicht wird Uran effektiv zurückgehalten

Die Ergebnisse zeigen, dass Uran unter diesen Bedingungen innerhalb von einer Million Jahren in der Größenordnung von bis zu 50 Metern in Richtung der angrenzenden Grundwasserleiter migriert. Das ist um mehrere Zehnermeter weiter als es in einem homogenen System ohne geochemische Gradienten zu beobachten ist. Die Uranmigration wird also durch Variationen der Geochemie im Porenwasser und die Ausbildung von Konzentrationsgradienten beschleunigt. Trotzdem erreicht das Uran in diesem Fall nicht die angrenzenden Grundwasserleiter und wird also effektiv im potenziellen Wirtsgestein zurückgehalten.

 

Originalstudie: Hennig, T., Kühn M. (2021): Potential Uranium Migration within the Geochemical Gradient of the Opalinus Clay System at the Mont Terri. Minerals 11, 1087. DOI: 10.3390/min11101087

https://doi.org/10.3390/min11101087

 

Weiterführende Informationen:

System Erde. GFZ-Journal
Ausgabe 2021/02 – Schwerpunkt: Ohne Geowissenschaften keine Endlagerung
Kapitel: Modelle simulieren die Zukunft

Michael Kühn, Theresa Hennig, Oliver Heidbach, Magdalena Scheck-Wenderoth
System Erde, 11(2), pp. 30-35, 2021.
DOI: https://doi.org/10.48440/GFZ.syserde.11.02.5
Zusammenfassung | Kompletter Artikel (PDF 2 MB)

Komplettes Journal (Jahrgang 11, Ausgabe 2)
 

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