CHRISTA-II: Sicherheits- und Nachweiskonzepte für Endlager im Kristallin

Kristallingestein als potenzielles Wirtsgestein

Kristallingestein ist eines von drei potenziellen Wirtsgesteinen, das für die Endlagerung von hochradioaktiven Abfällen in Deutschland in Frage kommt. Da es in der Regel geklüftet ist, wird davon ausgegangen, dass die Hydraulik im System stark durch das Kluftnetzwerk beeinflusst wird. Um die für die sichere Endlagerung relevanten Eigenschaften bei der Erstellung eines Sicherheits- und Nachweiskonzeptes für das jeweilige Endlagersystem zu erfassen, ist daher eine angemessene Berücksichtigung des Kluftsystems notwendig. Zurzeit werden drei unterschiedliche Endlagersysteme diskutiert, bei denen der Einschluss der Abfälle im Wesentlichen durch eine das Wirtsgestein überlagernde Ton- oder Salzgesteinsformation (überlagernder ewG), eine (geo-)technische Barriere (modifiziertes KBS-3 Konzept) oder das kristalline Wirtsgestein selbst (multipler ewG) gewährleistet werden soll. Die numerische Modellierung der BGR wurde für das letztgenannte Endlagersystem durchgeführt.

Axel Weitkamp: Einführung in das Verbundvorhaben

Die BGR war bereits 2016 am Projekt CHRISTA beteiligt, in dessen Rahmen zunächst eine Machbarkeitsstudie zur Endlagerung im Kristallin in Deutschland durchgeführt wurde, um potenzielle Einlagerungsoptionen zu identifizieren. Nachfolgend wurden im Projekt CHRISTA-II Sicherheits- und Nachweiskonzepte für diese Optionen entwickelt. Die Arbeiten waren eng mit den rechtlichen Anpassungen im Bereich der Endlagerung verknüpft.

Axel Weitkamp: Entwicklung geologischer Modelle

Die BGR erarbeitete im Vorhaben CHRISTA-II u.a. drei geologische Modelle und deren Parametrisierung für verschiedene Einlagerungsoptionen im Kristallingestein.

Modell „multipler ewG“
Für das generische geologische Modell „multipler ewG“ mit mehreren einschlusswirksamen Gebirgsbereichen (ewG) wurde als regionales Umfeld eine in Deutschland vorkommende geologische Situation von oberflächennahen Kristallinvorkommen angenommen. Die Einlagerungssohle befindet sich in einer Tiefe von ca. 600 m u. GOK. In diesem Tiefenbereich sind zwischen den hydraulisch wirksamen Klüften im Modell Bereiche vorhanden, die eine Anordnung von ewG mit einem für die anfallende Abfallmenge ausreichenden Gesamtvolumen ermöglichen.

Geologisches 3D-Modell mit hydraulisch wirksamen Klüften, farblich sortiert nach Kluftrichtungen Quelle: BGR

Modell „modifiziertes KBS-3 Konzept“
Das Modell für das an deutsche Verhältnisse angepasste schwedische KBS-3 Endlagerkonzept, bei dem den technischen und geotechnischen Barrieren, wie Behältern und Buffer, die Haupteinschlusswirkung zukommt, wurde auf Grundlage des Modells „multipler ewG“ erstellt und angepasst. Abweichend vom Modell für das „multiple ewG-Konzept“, bei dem die Wirkung des Wirtsgesteins als geologische Barriere entscheidend ist, sind im Modell für das „modifizierte KBS-3 Konzept“ die hydraulisch wirksamen Klüfte dichter verteilt, so dass keine ewG wie beim „multiplen ewG Konzept“ ausgewiesen werden können.

Modell „überlagernder ewG“
Das Modell für den „überlagernden ewG“, in dem eine über dem granitischen Wirtsgestein lagernde Salinarformation die Barrierenfunktion übernimmt, glie- dert sich in 6 flächendeckend verbreitete Einheiten mit unterschiedlichen Mäch- tigkeiten. Als Deckgebirge werden mesozoische Einheiten aus dem Muschelkalk und dem Buntsandstein betrachtet. Die flach lagernde paläozoische Barrierefor- mation aus dem Zechstein überdeckt direkt das kristalline Wirtsgestein.

Carlos Guevara Morel: Numerische Modellierung zur Integrität der geologischen Barriere im Kristallin

Quelle: BGR

Ein konkretes Modellierungskonzept für die numerische Analyse von sicherheitsrelevanten thermisch-hydraulisch-mechanisch (THM) gekoppelten Prozessen für das Endlagersystem „multipler ewG“ wird hier vorgestellt und exemplarisch auf ein generisches geologisches Modell angewendet, das eine mögliche geologische Situation widerspiegelt. Hierbei werden auf Basis eines diskreten Kluftnetzwerk-Modells (DFN) die hydraulischen Eigenschaften ermittelt und als Input für ein Kontinuumsmodell verwendet, wobei Upscaling- und Mapping-Ansätze verwendet werden. Eine sicherheitsgerichtete Analyse der THM-Prozesse im Endlagersystem, insbesondere unter Berücksichtigung der Einlagerung von wärmeentwickelnden Abfällen, erfolgt auf dem so parametrisierten Kontinuumsmodell. Die exemplarischen Auswertungen zeigen die Möglichkeiten dieses Modellierungskonzeptes, Eigenschaften von Klüften in einem Kontinuumsmodell zu integrieren.

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