Einführung zum Bundeszwischenlager und Endlagerung Forschung zur Langzeitsicherheit von geologischen Tiefenlagern für radioaktive Abfälle

Transkript

1 Einführung zum Bundeszwischenlager und Endlagerung Forschung zur Langzeitsicherheit von geologischen Tiefenlagern für radioaktive Abfälle Wilfried Pfingsten (Labor für Endlagersicherheit, Zwischen- und Endlager-Situation in der Schweiz Endlager-Forschung am PSI Beispiele: Labor-, Feldexperimente, Modellierung (Berechnungen für Sicherheitsanalysen) Fragen bitte jederzeit 4403,wp, 1

2 Behördliche Anforderungen In der Schweiz anfallende radioaktive Abfälle müssen grundsätzlich im Inland entsorgt werden. Für die Entsorgung haben die Erzeuger der Abfälle aufzukommen. Die dauernde und sichere Entsorgung der radioaktiven Abfälle hat durch geologische Tiefenlagerung zu erfolgen. Die Totalrevision des alten Atomgesetzes hat zu einem neuen Kernenergiegesetz geführt (1. Februar 2005). Die grundlegenden Anforderungen bleiben aber erhalten (0.1mSv/Y, zu keiner Zeit), jedoch muss vorgängig zum Verschluss des Lagers eine Überwachungsphase mit leichter Rückholbarkeit der eingelagerten Abfälle vorgesehen werden. 4403,wp, 2

3 Zuständigkeiten in der Schweiz Bundesrat Der Bund setzt die rechtlichen Rahmenbedingungen und überwacht mit seiner Sicherheitsbehörde die Kernanlagen und die Entsorgung radioaktiver Abfälle Eidgenössisches Department des Innern EDI, BAG Zuständig für radioaktive Abfälle aus Medizin, Industrie und Forschung Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK, BFE - zuständig für Sachplanverfahren ENSI (ehemals HSK) Zuständig für die Kernanlagen und die radioaktiven Abfälle aus der kommerziellen Nutzung der Kernenergie Nationale Genossenschaft für die Endlagerung radioaktiver Abfälle NAGRA Muss den Nachweis einer sicheren Entsorgung erbringen und die Realisierung vorbereiten (Inventarisierung des radioaktiven Abfalls, Entsorgungsnachweise, Rahmenbewilligungsgesuche) 4403,wp, 3

4 Konzept der geologischen Tiefenlagerung Stabile mechanische Barriere Erosion, tektonische Bewegungen, Vulkanismus Stabile geochemische Bedingungen Schutz durch technische Barrieren Minimale Grundwasserbewegung Schutz vor Zutritt des Menschen Leichte Rückholbarkeit der Abfälle während einer Überwachungsphase Nach Verschluss keine Überwachung und Instandhaltung nötig Radionuklide können nur über das Grundwasser in die Biosphäre gelangen Radionuklid-Transportprozesse / Sorption! 4403,wp, 4

5 Sachplan geologische Tiefenlager Standortsuche für geologische Tiefenlager Zeitplan /48 Quelle: BFE 4403,wp, 5

6 Von der Nagra vorgeschlagene Standorte für Endlager in der Schweiz 4403,wp, 6

7 Bözberg - Provisorischer Planungsperimeter (BFE, ) PSI 4403,wp, 7

8 Abfallströme - wo kommen die Abfälle her? 4403,wp, 8

9 Abfallmengen in der Schweiz 500 m³ radioaktive Rohabfälle pro Jahr (Betrieb der Kernkraftwerke, Medizin, Industrie und Forschung). Dazu kommen Abfälle aus dem Abbruch der Kernkraftwerke und von Forschungsanlagen. Gesamtmenge aufgrund aktualisierter Berechnung (Laufzeit der KKW von 50 Jahren) : knapp 100'000 m³. ~ 90'000 m³ schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA / LMA). ~ 9'000 m³ hochaktive Abfälle und Brennelemente (HAA / BE). Jedes Abfallgebinde wird mit seinen Eigenschaften in einer Datenbank erfasst. Z.B. Tiefenlager für hochaktive Abfälle: Abgebrannte Brennelemente (BE): ~ 2'000 Lagerbehälter ergeben rund 8'000 m³ Verglaste hochaktive Abfälle (HAA): ~ 700 Container ergeben rund 1'000 m³ Verfestigte langlebige mittelaktive Abfälle (LMA): rund 3'000 m³ 4403,wp, 9

10 Verglaster Abfall und abgebrannte Brennelemente in der Schweiz (heutige Situation) abgebrannte Brennelemente Glas Tonnen IHM* (netto 292) Anzahl Kanister Spezifisches Inventar: Pu (TBq/ t IHM) U (GBq/ t IHM) * IHM = Initial Heavy Metal (Anfangs- Schwermetall) Höhe~1.3m 4403,wp, 10

11 Zwischenlagerung ZWILAG und BZL 4403,wp, 11

12 a c b Das PSI und radioaktive Abfälle Labor für Endlagersicherheit (Laboratory for Waste Management): Liefert Beiträge zur sicheren geologischen Endlagerung radioaktiver Abfälle durch ein verbessertes wissenschaftliches Verständnis der relevanten Mechanismen und Prozesse und liefert benötigte Modelle und Datenbanken, speziell auch für die Situation in der Schweiz. Schwerpunkte sind Löslichkeitsphänomene (Radionuklidkonzentrationen im Tiefenwasser) Rückhaltung (Sorption) an technischen Barrieren und Gesteinen Ausbreitungsprozesse auf sehr unterschiedlichen Skalen Ni Ni Diffundiertes Diffusive caesium Caesium flux (Mol/ [mol m2 m -2 s / -1 s) 1.0E E E E E-012 Cs through diffusion Mont Terri OPA Experiment Best fit 1.0E Time [day Zeit (Tage) Sektion Rückbau und Entsorgung: Sammelt Schweizweit radioaktive Abfälle aus Medizin, Industrie u. Forschung Sortiert und konditioniert diese Abfälle Betreibt das Bundeszwischenlager (BZL) 4403,wp, 12

13 Radioaktive Rohabfälle MIF Beispiele: Indusrie, Medizin Medizinische Quellen (Co-60, Cs-137, ) Medizinische Tracer Früher: Rauchmelder (Am-241) Uhrzeiger (H-3) Staubpinsel für Schallplatten Industrielle (Misch-)Abfälle Militärische Abfälle Beispiele: Forschung Feste Abfälle der Beschleunigeranlagen von PSI, CERN (z.b. Metalle, Beton) Abfälle aus der Brennstoffforschung des PSI Forschungsreaktoren (Gross)komponenten von Beschleunigern Magnete, Kavitäten, Vakuumkammern Strahlfänger, (Strahl)Rohre, Kräne Beton- u. Metall(abschirmungen) Kabelmaterial, Mischabfälle Unterschiedliche Abfall-Kategorien (chemische Zusammenset.) 4403,wp, 13

14 Endlagersicherheitsforschung am PSI Bundeszwischenlager Abfall- Konditionierung Hotlabor Radioaktive Proben, Sorptionsu. Diffusions-Experimente, Vorbereitung von Proben für Untersuchungen an SLS und SINQ Modellierer SINQ SLS 4403,wp, 14

15 Endlagerforschung: Prozesse und Skalen ns s ms s Tage y 10 3 y Zeit nm m mm m km Distanz Molekulare Diffusion/Sorption Reaktionskinetik Auflösung/ Ausfällung Modellierung von Labor und Feldexperimenten Vorausberechnung der Endlagerentwicklung 2 DQ hwhm 2 1 DQ τ 4403,wp, 15

16 Experimente mit Radionukliden im Hotlabor 4403,wp, 16

17 Batch-Sorptions-Experimente im Hotlabor ergeben Daten zur Radionuklid Wechselwirkung K d Sorptionskoeffizienten von Radionuklide werden in Batch-Sorptionsexperimenten bestimmt in sog. verdünnten Systemen + Radionuklide Porenwasser Mineralpuder -mischen- -warten- Gleichgewichts- Zusammensetzung K d = Radionuklide sorbiert auf Mineralen Radionuklide im Porenwasser K d s werden für alle Radionuklide in Wechselwirkung mit Barrierematerialien (Zement, Bentonit) und den Wirtsgesteinen benötigt Sorptionsdaten liefern auch wichtige Informationen zu detaillierten Sorptionsmodellen 4403,wp, 17

18 Sorptionsmodelle Nichtlineare Sorptionsisotherme Mechanistisches Sorptionsmodell Cs sorbed [mol kg Mont Terri OPA Measured on crushed and compacted clay 1E-5 [ Cs [ Cs sorbiert Solution 1E Cs in solution [mol m -3 f ( C) gemessen 1 [ Cs [ Cs [ Cs sorbiert sorbiert T II sorbiert Planar FES Cs K Cs K Cs K K K K Planar T II FES [ Cs [ K [ Cs [ K [ Cs [ K Solution Solution Solution Solution Solution S S SFES Solution Planar Type II 3-sites 4403,wp, 18

19 Beispiel: Cs Diffusion durch Opalinuston Experimenteller Aufbau Filter 1 Clay sample Filter 2 Modell Reservoir cell C(0,t) = f(t) Measurem. cell C(L,t) 0 0 x 1 x 2 L x Diffusion direction 4403,wp, 19

20 Beispiel: : Cs Diffusion durch Opalinuston Diffusion für alle Spezies im Wasser mit zugehörigen geochemischen Reaktionen C t R [ Cs i Mechanistische Sorptionsmodelle i n sorbed Sorbed Cs T II K T II [ Cs [ Cs K K Sorbed Cs Planar K Planar K Sorbed Cs FES K FES 2 i Dp 2 j 1 i, j [ Cs [ K [ Cs [ K [ Cs [ K C x Solution Solution Solution Solution Solution Solution Q Q Q T II QT II Q Planar FES FES R 1 [ Ci t i sorbed Daten aus Batch-Sorptionsexperimenten (verdünnte Systeme) Diffundiertes Caesium (Mol/ m2 / s) Diffusive caesium flux [mol m -2 s E E E E E E-013 Cs through diffusion Mont Terri OPA Experiment Best fit Reservoir cell C(0,t) = f(t) 0 x HTO Diffusion 1 x 2 L Zeit Time (Tage) [day Filter 1 Clay sample Filter 2 Measurem. cell C(L,t) 0 x 4403,wp, 20

21 Mikroskopie Experimente an der SLS Zur Unterscheidung der verschiedenen Sorptionsprozesse (Haftungsmöglichkeiten) wird am PSI die Röntgenspektroskopie an der SLS eingesetzt Identifizierung von unterschiedlichen Sorptionsplätzen von Radionukliden an Gesteinsoberflächen auf atomare Ebene (Koordinationszahlen, Atomabstände) Mikroskopische Bestätigung von mechanistischen Sorptionsmodellen. Die Ergebnisse fliessen in die Sicherheitsanalyse von Endlagern ein. Unterschiedliche Arten der Sorption : - A J H I J = J E I? D A I 0 = + B JD AA E I? D A I 0 = B J A 9 = I I A H D A / A I J A E 4 E K 5 = K A H I J B B a b c Einbau - E > im = K Gestein E / A I J A E * K C A E A I A K A. A I J H F A H I Ni Ni P-EXAFS : Ni auf Montmorillonit 4403,wp, 21

22 Feldexperimente im Felslabor Mont Terri Diffusion im Opalinus Ton 4403,wp, 22

23 Feldexperimente: Konzentrationsprofile bore hole bedding plane activity [Bq/g D sintered steel filter Diffusion Konzentrationsprofile Überbohrung distance from borehole [cm tracer cocktail 4403,wp, 23

24 Resultate der Feldexperimente im Vergleich mit Berechnungen : 22 Na + Entwicklung der Reservoirkonzentratio Na-Tracer Profile im Ton 4403,wp, 24

25 Rechnungen für eine Sicherheitsanalyse sind Standort-, und Abfall-spezifisch hängen von Annahmen über zukünftige geologische und klimatische Entwicklung ab (Erosion, Niederschläge, ) verschiedene Umwelt-Szenarien gehen von konservativen Annahmen aus, die die Dosis auf eine bestimmte Personengruppe maximiert (z.b. nur lokale Lebensmittel, ) beinhalten Prozessverständnis aus Labor- und Feldexperimenten machen Voraussagen über Millionen von Jahren enthalten auch besondere Störfälle wie Eiszeiten, extreme Klimaänderungen, dürfen Schutzziel für einen Endlagerstandort (Dosis < 1/10 natürliche Dosis ) nicht übersteigen, sonst ist der Standort nicht geeignet 4403,wp, 25

26 Aus dem Entsorgungsnachweis, Nagra, 2002) Natürliche Strahlenbelastung in der Schweiz Schutzziel Dosis in die Biosphäre als Funktion der Zeit für langlebige mittelaktive Abfälle (LMA) für verschiedene Realisationen / Rechnungen, die die höchste bzw. tiefste berechnete Dosis enthalten 4403,wp, 26

27 Aus dem Entsorgungsnachweis, Nagra, 2002) Dosis als Funktion der Zeit aus verglasten hochradioaktiven Abfall a) a) Vom Behälter in den Bentonit- Puffer b) Vom Bentonit-Puffer in den Opalinus Ton b) c) Vom Opalinus Ton in die Biosphäre c) 4403,wp, 27

28 Zusammenfassung Überblick: radioaktive Abfälle in der Schweiz Was wird am PSI gemacht: Abfallkonditionierung, Zwischenlagerung und Endlagerforschung Themen der Endlagerforschung Labor- und Feldexperimente Validierung von Rechenmodellen Modellierung auf verschiedenen Skalen vertieftes Prozessverständnis (Anwendung in Sicherheitsanalysen) 4403,wp, 28

29 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! weitere Fragen? 4403,wp, 29