Anforderungen an Schachtverschlüsse für HAW-Endlager Wilhelm Bollingerfehr, Michael Jobmann, Philipp Herold DBE TECHNOLOGY GmbH, Peine ELSA-Workshop Peine, 19. September 2012 ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine
Gliederung Einleitung Endlagerwirtsgesteine (Salz/Ton) und Endlagerkonzepte Sicherheits- und Nachweiskonzept Regulatorische Vorgaben Anforderungen an Schachtverschlüsse Zusammenfassung und Schlussfolgerung ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 2
Einleitung Rahmen zur Herleitung von Anforderungen: Endlagerung wärmeentwickelnder hoch radioaktiver Abfälle und ausgedienter Brennelemente Endlagerwirtsgestein: Salz oder Tonstein Endlagerkonzepte (für definierte Art und Menge an Abfällen und für ausgewähltes Wirtsgestein) Schächte als (einzige) Verbindung zwischen Einlagerungshorizont und Tagesoberfläche Sicherheits- und Nachweiskonzepte Regulatorische Vorgaben zum Verschluss von Endlagern (Bergwerken) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 3
Einleitung Art und Menge der radioaktiven Abfälle und Abfallgebinde (gemäß Ausstiegsbeschluss vom Sommer 2011) Abfallstrom Abfallgebinde Bezeichnung Anzahl Ausgediente UO 2 12.450 BE 6.415 tsm DWR Brennelemente aus MO 1.530 BE 765 tsm Leistungsreaktoren UO 2 14.350 BE 2.465 tsm SWR MO 1.250 BE 220 tsm POLLU-10 1.398 520 WWER-DWR UO 2 5.050 BE 580 tsm 202 Gesamt - - 10.445 tsm POLLU-10 2.120 Abfälle aus CSD-V Wiederaufarbeitung AREVA NC (F) 3.025 Kokillen 336 POLLU-9 Sellafield Ltd. (UK) 570 Kokillen 63 VEK (D) 140 Kokillen 16 CSD-B AREVA NC (F) 308 Kokillen POLLU-9 35 CSD-C AREVA NC (F) 4.104 Kokillen POLLU-9 456 Gesamt 8.147 Kokillen POLLU-9 906 Ausgediente AVR 288.161 BE-Kugeln 152 CASTOR THTR/AVR Brennelemente THTR 617.606 BE-Kugeln 305 aus Versuchs- und KNK II 2.484 Brennstäbe in 27 BE Prototyp-KKWs und Otto-Hahn 52 Brennstäbe CASTOR KNK 4 Forschungsreaktoren FRM II approx. 120-150 MTR-BE 30 CASTOR MTR 2 BER II approx. 120 MTR-BE 20 Gesamt - - 511 Verpresste Gussbehälter BE-Strukturteile Gesamt - Typ II 2.620 (Mosaik ) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 4
HAW-Endlagerkonzept für Salz Richtstrecke Querschlag Referenzkonzept für HAW-Endlager in Salz: Tiefe geologische Endlagerung (Teufe: 870 m) Einlagerung von HAW-Kokillen in Bohrlöchern Einlagerung von POLLU-Behältern in Strecken Versatzmaterial: Salzgrus Projektion des Referenzkonzeptes in vereinfacht dargestellte Geologie des Salzstockes Gorleben ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 5
Modellregionen für HAW-Endlager in Tonstein ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 6
HAW-Endlagerkonzept für Tonstein Halde Tagesanlagen Einlagerungsfelder HAW-Kokillen Einlagerungsfelder BSK3 Gebindetransportschacht (ausziehend) Förderschacht (einziehend) Einlagerungsfelder CSD-B und CSD-C Vollständiges Grubengebäude mit Einlagerungsfelder für: ausgediente Brennelemente (linker Flügel) und Wiederaufarbeitungsabfälle (rechter Flügel) Tagesschächte für Frischwetter Gebindetransport (Quelle: M. Pöhler) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 7
Sicherheits- und Nachweiskonzept Sicherheitskonzept: Verbal argumentative Beschreibung, durch welche Gegebenheiten und Maßnahmen die geforderte Sicherheit im technischen Sinn durch ein Endlager auf der Basis eines geeigneten Konzeptes am Standort erreicht und langfristig gewährleistet werden kann. Nachweiskonzept: Darlegung, welche Nachweise unter der Voraussetzung der Umsetzung des Sicherheitskonzeptes für die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen und insbesondere für den sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle im Endlager zu führen sind. ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 8
Herleitung der Anforderungen für Schachtverschlüsse (Quelle: M. Jobmann, et.al.) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 9
Sicherheitsbewertung am Salzstandort Strukturelles Vorgehen zur Sicherheitsbewertung am Salzstandort (Quelle: M. Jobmann) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 10
Sicherheitsbewertung am Tonstandort Strukturelles Vorgehen zur Sicherheitsbewertung am Tonstandort (Quelle: M. Jobmann) ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 11
Primäre FEPs (Salzstandort) FEP-Nr. FEP-Name 1.2.03.01 Erdbeben 1.2.09.01 Diapirismus 1.2.09.02 Subrosion 1.3.05.03 Glaziale Rinnenbildung 2.1.05.04 Alteration von Strecken- und Schachtverschlüssen 2.1.07.01 Konvergenz 2.1.07.02 Fluiddruck 2.1.07.04 Nicht thermisch induzierte Volumenänderung von Materialien 2.1.07.07 Lageverschiebung des Schachtverschlusses 2.1.08.08 Quellen des Bentonits 2.1.09.02 Auflösung und Ausfällung 2.1.09.06 Korrosion von Materialien mit Zement- oder Sorelphasen 2.2.01.01 Auflockerungszone 2.2.06.01 Spannungsänderung und Spannungsumlagerung ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 12
Wenig wahrscheinliche FEPs (Salzstandort) FEP-Nr. FEP-Name 2.1.07.05 Vorzeitiges Versagen eines Schachtverschlusses* 2.1.08.05 Kanalisierung in Dichtelementen ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 13
Anforderungen aus BMU-Sicherheitsanforderungen Quelle Anforderung Steinsalz Tonstein Sicherheitsanforderungen (BMU-2010) Prozessanalyse der Einwirkungen auf Schachtverschluss. Falls Komponenten des Schachtverschlusses im ewg liegen, so müssen in den Komponenten ablaufende Transportprozesse in ihrer Geschwindigkeit mit diffusiven Transportprozessen vergleichbar sein (ausreichend geringe Durchlässigkeit). Quelldrücke von Dichtelementen dürfen die Gebirgsfestigkeit nicht überschreiten. Falls für geotechnische Barrieren keine anerkannten Regeln der Technik vorliegen, muss deren Herstellung, Errichtung und Funktion grundsätzlich unter Anwendung von Qualitätssicherung erprobt sein. (Kann entfallen, falls die Robustheit anderweitig nachgewiesen werden kann oder falls ausreichend Sicherheitsreserven bestehen.) Zum Nachweis der Bauwerksintegrität sind die maßgeblichen Beanspruchungszustände und Eigenschaften der Baustoffe zu untersuchen. Die hinreichende Belastbarkeit und Alterungsbeständigkeit dieser Baustoffe ist für den Zeitraum nachzuweisen, für den die Funktionstüchtigkeit der Bauwerke gegeben sein muss. Soweit notwendig müssen sofort wirksame Barrieren den Einschluss der Abfälle für den Zeitraum übernehmen, in dem die volle Wirksamkeit der langfristig wirksamen Barrieren noch nicht gegeben ist. Eventuelle Anforderungen aus einer Analyse von Freisetzungsszenarien sind zu identifizieren und zu berücksichtigen. Innerhalb des Schachtverschlusses soll möglichst Redundanz und Diversität berücksichtigt werden z.b. durch Verwendung mehrerer Dichtelemente mit diversitären Materialien. Der Schachtverschluss ist in seiner Bedeutung für die Sicherheit des Endlagers im Zusammenspiel mit den anderen Barrieren (z. B. Streckenverschlüsse) zu bewerten (z. B. für die Festlegung des Wirkungszeitraums). ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 14
Anforderungen aus Sicherheits- und Nachweiskonzept Quelle Anforderung Steinsalz Tonstein Sicherheits- und Nachweiskonzepte Maximaler Wirkungszeitraum 50.000 Jahre (nächste Eiszeit). Einschränkung über Verschlusskonzept (Steinsalz): Der Schachtverschluss muss solange hinreichend dicht sein, bis der hydraulische Widerstand des kompaktierenden Salzgrusversatzes groß genug ist. (1000 Jahre - nach aktuellen Aschätzungen). Daraus resultiert die hydraulische Anforderung, dass der sich einstellende Volumenstrom so gering sein muss, dass die zutretende Lösung den Salzgrusversatz in den Zugangsstrecken erst nach (hier) 1000 Jahren erreicht. Maximaler Wirkungszeitraum 50.000 Jahre (nächste Eiszeit). Einschränkung über Verschlusskonzept (Tonstein): noch offen. - Vorbemessung des Schachtverschlusses (Dimensionierung, Eigenschaften und Nachweis der prinzipiellen Herstellbarkeit). Berücksichtigung einer FEP-Liste mit wahrscheinlichen und weniger wahrscheinlichen Prozessen bezüglich einer Konsequenzanalyse. Daraus eventuell resultierende Anforderungen an Funktionselemente des Schachtverschlusses sind zu berücksichtigen (ggf. iterativ optimieren). Unterbindung einer advektiven Lösungsbewegung aus dem Endlager bzw. aus dem ewg heraus. - Erhaltung eines stabilen geochemischen Milieus - Verwendung von Materialien mit hoher Sorptionskapazität. - ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 15
Anforderungen aus Technischen Funktionsnachweisen Quelle Anforderung Steinsalz Tonstein Technische Funktionsnachweise Die Auslegung des Verschlusssystems sollte in Anlehnung an die technischen Regelwerke DIN EN 1997-1 Eurocode 7, DIN EN 1990 Eurocode, DGGT-GDA-Empfehlungen und DAfStb Richtline 2004 erfolgen Die einzelnen Funktionselemente eines Schachtverschlusses sind so zu konfigurieren, dass gemäß dem Nachweiskonzept der Funktionsnachweis geführt werden kann. Für den Nachweis einer ausreichenden hydraulischen Dichtheit sind nicht nur die Dichtelemente für sich zu betrachten, sondern immer im Zusammenspiel mit der Kontaktzone und der Auflockerungszone (integrale Dichtheit). Im Bereich von Dichtelementen ist die Auflockerungszone nachzuschneiden und bis in eine geeignete Tiefe zu entfernen. Wird einem Dichtelement eine sofortige Wirksamkeit im Rahmen des Verschlusskonzeptes zugeordnet, so ist der Einsatz quellfähiger Materialien vorzusehen. Bei Verwendung von nicht kohäsiven und nicht eigentragfähigen Abdichtmaterialien ist eine setzungsarme Stützsäule vorzusehen (Setzung max. 3 % der Dichtungslänge). Zur Vermeidung von Erosion und Suffosion ist der Einsatz von Filterschichten am Dichtelement vorzusehen. Für alle Materialien muss ein vollständiger und konsistenter Datensatz zur Verfügung stehen, der das Materialverhalten bzw. seine Eigenschaften charakterisiert. ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 16
Anforderungen aus standortspezifi. Randbedingungen Quelle Anforderung Steinsalz Tonstein Standortspezifische Randbedingungen Durchörtert der zu verschließende Schacht Störungszonen oder Zonen, die potenziell Flüssigkeitsführend sein können, so sind diese mit Dichtelementen abzudichten. In Abhängigkeit von der einwirkenden Porenlösung sind die Materialien der Dichtelemente entsprechend so zu wählen, dass es zu keiner signifikanten Korrosion der Dichtelemente bei Eintreffen entsprechender Lösungen kommt. Dichtelemente aus nicht quellfähigem Material sollten aus Einspannungsgründen so tief wie möglich im Schacht angeordnet werden. Es ist vorzusehen, dass die Einlagerungssohle von anderen Sohlen (z. B. Erkundungssohlen) durch ein Dichtelement getrennt wird. Dort wo Wechsellagerungen von toniger und sandiger Fazies auftreten, sind Dichtelemente im Bereich der tonigen Fazies anzuordnen, um keine Umläufigkeiten durch die sandigen Bereich zu ermöglichen. - Sind mehrere Grundwasserleiter vorhanden, so ist ein Kurzschluss der Grundwasserleiter durch Abdichtung zu vermeiden. Die Komponenten des Schachtverschlusses sind gegen den standortspezifisch maximal möglichen vertikalen Lösungsdruck zuzüglich 50m durch klimabedingte Meeresspiegelschwankungen auszulegen. ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 17
Anforderungen aus sonstigen Vorgaben Quelle Anforderung Steinsalz Tonstein Sonstige Vorgaben Schächte sind nach der Stilllegung vollständig zu verfüllen. Vor der Verfüllung sollten Schachteinbauten vollständig entfernt werden, soweit das arbeitssicherheitlich vertretbar ist. Vorhandener wasserdichter Ausbau aus Tübbingen oder Stahlröhren wird nicht demontiert In Verschlusshorizonten wird der Ausbau entfernt, um Umläufigkeiten zu verhindern. In Verschlusshorizonten wird die Auflockerungszone im Schachtstoß entfernt. (redundante Vorgabe) Die Sohlenabgänge werden gegen das Auslaufen der Füllsäule gesichert und z.b. mit kohäsivem Füllgut abgedämmt. Dichtelemente aus nicht quellfähigem Material innerhalb der Schachtröhre müssen direkten Kontakt zum Gebirge haben; sie sind somit gebirgsverbunden auszuführen. Der Einbau der Verfüllsäulen erfolgt im trockenen Milieu. ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 18
Zusammenfassung und Schlussfolgerung BMU-Sicherheitsanforderungen von 2010 legen Sicherheitsniveau fest, das nachweislich zur Erfüllung der atomrechtlichen Anforderungen an Endlager einzuhalten ist. Das gilt auch für geotechnische Barrieren; damit auch für Schachtverschlüsse Schachtverschlüsse sind Teil des Gesamtendlagersystems in einem bestimmten Wirtsgestein (Salz/Ton) Anforderungen an Schachtverschlüsse leiten sich ab aus: BMU-Sicherheitsanforderungen Sicherheits- und Nachweiskonzept Technischen Funktionsnachweisen Standortspezifischen Randbedingungen und Sonstigen Vorgaben ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 19
DBE TECHNOLOGY GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. ELSA-Workshop, 19. 09.2012, Peine 20