Keine Liebe zwischen Beton und Opalinuston

Keine Liebe zwischen Beton und Opalinuston

Gefäss: 
Teaserbild-Quelle: Sylvia Senz
Im Opalinuston des Felslabors Mont Terri im jurassischen St. Ursanne untersuchen Wissenschaftler die Bedingungen für eine sichere Tiefenlagerung hochradioaktiver Abfälle. Erforscht werden die bautechnische Machbarkeit sowie die Voraussetzungen für die Sicherheit eines zukünftigen Tiefenlagers in Tongesteinen.
 
Die Besucher des Felslabors Mont Terri stehen vor einer grauen Betonwand. Nur scheinbar endet hier die Nische des Stollens. Hinter der Wand verbirgt sich nämlich seit 2001 ein mit Bewegungssensoren bestückter, in Bentonit (siehe Stichwort) horizontal gelagerter Stahlbehälter. Dieser Zylinder «simuliert» einen Endlagerbehälter: Das Einzige, was in diesem Experiment «fehlt», ist das radioaktive Material. 2012 wollen die Wissenschaftler die Wand herausbrechen und schauen, wie sich der Zylinder und sein Bentonit-Mantel in den zehn Jahren verhalten haben. Die vorliegenden Aufzeichnungen der Extensometer (Extension = Ausdehnung) lassen erkennen, dass sich der Behälter bisher kaum aus seiner ursprünglichen Lage bewegt hat.
 
Beim Bau des Pilotstollens für den Mont-Terri-Autobahntunnel, der Transjurane, in der Gegend von St. Ursanne im Kanton Jura durchstiess man Ende der 80er-Jahre auch die Formation des Opalinustons. Dieses Tongestein war schon damals als mögliches Wirtgestein für die Entsorgung radioaktiver Abfälle Gegenstand von Untersuchungen der Nagra, der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle. Damals entstand die Idee, im Opalinuston des Mont Terri ein Felslabor einzurichten.
 

Von Mont Terrible zu Mont Terri

Der Name des Felslabors stammt von dem gleichnamigen Hügel, der im nördlichen Abschnitt vom Autobahntunnel durchfahren wird. Ursprünglich hiess dieser Hügel «Mont Terrible», eine Bezeichnung, die auf die französische Besetzung durch Napoleon zurückgeht.
 
Das Felslabor liegt rund 300 Meter tief unter der Erdoberfläche und besteht zurzeit aus einem fast 600 Meter langen Stollensystem mit zahlreichen Nischen. Das Labor ist über den Sicherheitsstollen des Autobahntunnels erreichbar und befindet sich vom Südportal her etwa einen Kilometer weit im Berg. Die ersten hundert Meter verlaufen in Kalksteinschichten, den «Calcaires de St-Ursanne», die bis in die 80er-Jahre abgebaut und zu Kalkprodukten verarbeitet wurden.
 
Der grösste Teil der Stollen des Felslabors im Opalinuston ist zur Stabilisierung mit Spritzbeton ausgekleidet. An einigen Stellen sind die Stollen mit Stahlgittern und Felsankern gesichert; hier ist der Opalinuston sichtbar. In der Jurazeit, vor 180 Millionen Jahren, entstand dieser Ton durch die Ablagerung von feinen Schlammpartikeln auf dem damaligen Meeresgrund und verfestigte sich im Lauf der weiteren Erdgeschichte allmählich zu einem Tongestein. Die Mächtigkeit des Opalinustons im Bereich des Mont Terri beträgt rund 150 Meter. Vor etwa zehn Millionen Jahren begann die Auffaltung des Jura-Gebirges. Im Bereich des Felslabors ist die ursprünglich flach gelagerte Opalinuston-Schicht etwa 45 Grad nach Südosten geneigt und stellenweise durch kleinere Störungen versetzt.
 
Tiefenlager für radioaktive Abfälle kommen in dieser Gegend nicht in Frage. In tektonisch deformierten Gebieten, wo vermehrt mit bautechnischen Erschwernissen und Wasser führenden Störungszonen gerechnet werden müsste, ist der Bau solcher Lager nicht angezeigt. Für mögliche Standortgebiete werden daher geologisch stabile Orte bevorzugt, wo auch in Tausenden von Jahren keine nennenswerten tektonischen Bewegungen zu erwarten sind. Im Vordergrund stehen daher Gebiete mit Opalinuston im wenig deformierten Tafeljura in einem Bereich von 400 bis 900 Metern Tiefe. Entsprechende Vorschläge hat die Nagra im Rahmen des «Sachplans geologische Tiefenlager» beim Bundesrat eingereicht: nördlich Lägern, Bözberg und Zürcher Weinland. Diese Vorschläge sind mittlerweile von den zuständigen Experten geprüft und in ihrem Gutachten als gut beurteilt worden.
 

Pluspunkt Quellfähigkeit

Opalinuston ist zu 40 bis 80 Prozent aus Tonmineralien (Schichtsilikate) zusammengesetzt. Davon sind zehn Prozent quellfähig. Der Ton enthält in seinen Poren nicht fliessendes Wasser, teilweise noch marinen Ursprungs. Das Gestein hat eine geringe Durchlässigkeit und verfügt über die Fähigkeit, entstandene Risse wieder selbst abdichten zu können. Wenn also Wasser oder feuchte Luft in offene Klüfte eindringt, schwillt der Opalinuston. Der Grund dafür ist der negative Ladungsüberschuss der einzelnen Tonmineralien: Dadurch binden diese Partikel Wassermoleküle an sich.
 
Dadurch verschliessen sich auch Risse wieder, die zum Beispiel durch tektonische Bewegungen, aber auch während des Stollenbaus entstanden sind. Durch diese Selbstabdichtung vermindert sich die Durchlässigkeit des Tongesteins wieder auf Werte, wie sie das «ungestörte» Gestein kennzeichnen. Tone (und damit auch Tongesteine) haben infolge ihres mineralogischen Aufbaus grosse spezifische Oberflächen, nämlich bis zu 600 Quadratmeter pro Gramm. Diese Eigenschaft begründet auch ihre hohe Sorptionsfähigkeit.
 

Ein guter Kandidat

Wegen der sehr geringen Wasserdurchlässigkeit, der hervorragenden Sorptionseigenschaften sowie des Selbstabdichtungsvermögens «ist Opalinuston ein guter Kandidat für die Lagerung von hochradioaktiven Abfällen in der Schweiz», sagt Paul Bossart von Swisstopo und Direktor des Mont-Terri-Projekts. Wichtig ist für die Forscher jedoch auch die Frage, was passiert, wenn die mit Bentonit umhüllten Stahlbehälter mit dem darin eingeschlossenen radioaktiven Material Wärme an den Bentonit und den Opalinuston abgeben.
 
Andere Fragen beschäftigen sich mit der Korrosion der Stahlbehälter und dem daraus entstehenden Wasserstoffgas. «All diese Prozesse können im Felslabor geprüft und daraus Kennwerte abgeleitet werden, die dann in die Sicherheitsanalyse eines Tiefenlagersystems einfliessen.»
 
Laut André Lambert, dem Projektleiter Opalinuston bei der Nagra, beschäftigt man sich im Felslabor auch mit Fragen, wie das Stollensystem eines Tiefenlagers gestützt und wie die künstlichen Barrieren zu den Lagerstollen gestaltet werden sollen (Versiegelung). Die Zugangstollen zum Tiefenlager sind in der Regel kein Problem, da hier die üblichen Ausbaumaterialien, wie zum Beispiel konventioneller Spritzbeton, verwendet werden können. Was für ein Material ist aber in den eigentlichen Einlagerungsbereichen am besten geeignet? «Zement beziehungsweise Beton kann sowohl die Eigenschaften des Bentonits als auch des umgebenden Opalinustons beinträchtigen. Denn die mit der Zeit entstehenden Zementwässer haben hohe pH-Werte (bis 14), was die Sorptionseigenschaften des Bentonits und des Wirtgesteins reduzieren könnte. Das bedeutet, dass allfällige Radionuklide nicht mehr genügend an den Tonmineralen ‘haften’ bleiben», schreibt die Nagra.
 

Auswirkungen auf Betonit

«Die langfristig unerwünschten Auswirkungen alkalischer Porengewässer (von degradierenden zementhaltigen Ausbauten) auf das Wirtgestein waren bereits vor bald zehn Jahren im Rahmen der Arbeiten für den Entsorgungsnachweis Gegenstand eingehender Untersuchungen», heisst es weiter. «Die Nagra konnte darlegen, dass die Auswirkungen auf den Opalinuston räumlich sehr beschränkt sind und die Eigenschaft des Wirtgesteins als effiziente Transportbarriere (in vertikaler Richtung) nicht beinträchtigen.»
 
Trotzdem werden Fragen nach möglichen Auswirkungen auf Bentonit weitergehend untersucht. Dazu gehört namentlich die Anwendung und Entwicklung von Niedrig-pH-Zement. So wurde Niedrig-pH-Spritzbeton unter anderem auch im Felslabor Mont Terri bei seiner Erweiterung im Jahr 2008 versuchsweise eingesetzt und damit seine Verwendung für die Ausbruchsicherung erfolgreich aufgezeigt. Bei den Anwendungsversuchen im Felslabor Mont Terri werden zurzeit pH-Werte von 10 bis 11 erreicht. Beton, Opalinuston und Bentonit pflegen also zwar keine Freundschaft, ihr Einsatz ist aber nicht infrage gestellt.
 
Auch bei der Verwendung von Stahl (zum Beispiel für Anker, Kopfschutzgitter und Endlagerbehälter) sind materialtechnische Fragen zu klären: Mit der Zeit kann Stahl langsam korrodieren und dabei Wasserstoff abgeben. In diesem Zusammenhang wurden im Opalinuston des Mont Terri auch Spuren von sulfatreduzierenden Bakterien festgestellt. Die meisten Bakterien wurden nachweislich durch Mensch und Gerätschaft eingeschleppt (bisher wurden lediglich zwei indigene Spezies festgestellt). Diese Bakterien könnten sich an der Korrosion von Stahl mitbeteiligen. Durch einen fachgerechten Einbau des Bentonits bleibt dieser Effekt aber unter Kontrolle: In einer dichten Bentonitbarriere ist die Bakterienaktivität stark eingeschränkt.
 

Zwischenversiegelungen

Bezüglich Bauvorgang, Ausbaukonzept und Verschluss der Lagerstollen werden mehrere Ansätze diskutiert. Zum Beispiel soll nach etwa jedem zehnten (der axial im Stollen einzulagernden) Behälter ein grösserer Abstand zum nächsten eingeplant werden. In diesem Streckenabschnitt würde man beispielsweise mit dem Einbau einer Zwischenversiegelung aus Bentonit allfällige Fliesswege der Schnittstellen Bentonit/Zementausbau/Wirtgestein hydraulisch wirkungsvoll unterbinden. Mit der Versiegelung soll, in Verbindung mit einer streckenweisen Verfüllung, die Wirkung des durch Bauaktivitäten aufgelockerten Wirtgesteins als hydraulische und geochemische Transportbarriere möglichst wieder hergestellt und auch eine gebirgsstützende Wirkung erzielt werden.
 
Die Weiterentwicklung von alternativen Ausbaukonzepten für Lagerstollen bleibt ein zentrales Element im Bereich «Forschung und Entwicklung» der Nagra. Zurzeit in Planung ist ein Grossversuch im Felslabor Mont Terri: Hier soll im Massstab 1:1 die Behältereinlagerung sowie das Langzeitverhalten von Bentonitverfüllung und Wirtgestein getestet werden. Die Vorbereitungsarbeiten untertage beginnen voraussichtlich noch im Laufe des Jahres. Sylvia Senz
 
Das Felslabor Mont Terri
Um zu prüfen, ob der Opalinuston tatsächlich den strengen Anforderungen an ein Wirtgestein genügt, wurde 1996 das Forschungsprojekt Mont Terri mit internationaler Beteiligung ins Leben gerufen. Im Felslabor liefern geotechnische und geochemische Experimente wesentliche Erkenntnisse über die Machbarkeit und Sicherheit von geologischen Tiefenlagern in Tongesteinen. Hier sind realistischere Versuchsbedingungen möglich als in herkömmlichen Labors: Experimente können im Massstab 1:1 durchgeführt werden.
 
Geleitet wird das Labor von der Swisstopo, dem Bundesamt für Landestopografie. Im Labor arbeiten zeitweilig bis zu 50 KMU sowie rund 50 Universitäts- und private Forschungseinrichtungen aus aller Welt (zum Beispiel Deutschland, Japan, die USA, Kanada, Spanien, Belgien und die Schweiz) zusammen.
 
Die Experimente betreffen zum Beispiel:
  1. Das Verhalten von «ungestörtem» Opalinuston wie Langzeitdiffusion, Diffusion und Retention (Zurückhalten) von Radionukliden (wie zum Beispiel Jod oder Tritium, ein Isotop des Wasserstoffs) sowie Wasser- und Gasdurchlässigkeit.
  2. Das Verhalten von «gestörtem» Opalinuston wie Selbstabdichtung von Rissen; Gasfliesswege durch Gestein, künstliche Barrieren und Versiegelungen; felsmechanisches Verhalten während und nach dem Stollenvortrieb.
  3. Experimente, die sich auf den Betrieb oder die Zeit nach dem Verschluss eines Tiefenlagers beziehen wie Wechselwirkung Zement-Ton, Abdichtungsversuche mit Sand-/Ton-Gemischen.