Die Erforschung der Radionuklidausbreitung aus einem Endlager mit hochradioaktivem Abfall ist nicht abgeschlossen.
Anhand der Arbeit zweier deutscher Institutionen,
der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) und
dem Arbeitskreises Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AkEnd)
stellt dieses Papier beispielhaft dar, daß
die deutsche geologisch/geochemische Forschung wesentliche Mechanismen der Radionuklidfreisetzung von vornherein ausschließt, obwohl sie seit Jahrzehnten in der internationalen Literatur bekannt sind,
man in Deutschland zur Langzeitsicherheit der Endlagerung von hochradioaktivem Abfall nur Aussagen machen kann, deren Relevanz unklar ist.
1. Die Endlagersicherheit: geochemisch/geologische Forschung in Deutschland
Unsere heutigen Arbeiten zur Langzeitsicherheit von Endlagern für hochradioaktiven Abfall befinden sich erst in einem frühen Stadium der Grundlagenforschung.
Aus ihr muß sich eine Technik entwickeln, welche es Ingenieuren erlaubt, die Ergebnisse der Grundlagenforschung bzgl. ihrer Relevanz einzuordnen und Verfahren zu entwickeln, deren Funktionsfähigkeit überprüfbar ist. Die "Kinderkrankheiten" der Technik müssen überwunden werden, und erst wenn diese Phase erfolgreich abgeschlossen ist, hat man eine Verläßlichkeit, die wir in unserer Wirtschaft kennen.
Ein Endlager für hochradioaktiven Abfall allein mit Grundlagenwissen zu bauen, widerspricht dem Vorgehen in der heutigen wissenschaftlich-technischen Welt. In der Schweiz geht man daher davon aus, daß der Nachweis der Langzeitsicherheit von solchen Endlagern noch Jahrhunderte in der Zukunft liegt.
Dieses Papier wird einige Antworten geben auf drei Fragen:
Wo steht die deutsche generische, d.h. standortunabhängige, Langzeitsicherheitsforschung im internationalen Vergleich?
Welches Ausmaß an Komplexität bringt die zurzeit bekannte Geochemie in die Langzeitsicherheitsforschung?
Welche Maßnahmen könnten die deutsche Langzeitsicherheitsforschung aus dem derzeitigen Stillstand befreien?
1.1 Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS): Suche nach einem Systemverständnis
Die GRS gehört zu 46 % der Bundesrepublik Deutschland und zu 46 % den Technischen Überwachungs-Vereinen (TÜV) und dem Germanischen Lloyd. Jeweils 4 % der Anteile der GRS haben das Land Nordrhein-Westfalen und der Freistaat Bayern inne.
"[d]ie GRS ... eine gemeinnützige technisch-wissenschaftliche Forschungs- und Sachverständigenorganisation. Ihre Arbeitsschwerpunkte liegen auf den Gebieten nukleare Sicherheit und Entsorgung radioaktiver Abfälle. Auf diesen Gebieten ist die GRS Deutschlands zentrale Fachinstitution. Die GRS arbeitet unabhängig von Gewinnorientierung und fachlichen Weisungen.
Hauptauftraggeber der GRS sind das Bundesumweltministerium, das Bundeswirtschaftsministerium, das Bundesforschungsministerium, das Auswärtige Amt sowie das Bundesamt für Strahlenschutz. Wichtigster internationaler Auftraggeber ist die Europäische Kommission. Gegenwärtig beschäftigt die GRS über 450 Mitarbeiter, darunter rund 350 Wissenschaftler und Ingenieure unterschiedlicher Fachrichtungen."
um die Sicherheit technischer Anlagen zu bewerten und weiterzuentwickeln."
Die GRS hat diesen TÜV-Qualitätsstandard i - iii im neu gegründeten Fachbereich "Endlagersicherheitsforschung" unterschritten, als sie im Jahr 1995 das Braunschweiger Institut für Tieflagerung der GSF (IfT, Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit) in diesen Fachbereich überleitete. Im IfT waren unter der Leitung von Klaus Kühn die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Lagerung von radioaktivem Abfall in der Versuchsanlage Asse II konzentriert. Entgegen allen Voraussagen des IfT hat das Grundwasser der Biosphäre inzwischen Kontakt zum eingelagerten radioaktiven Abfall, wie in folgenden Quellen genauer spezifiziert wird:
Kapitel 1.2.1 Radiologische Auswirkungen bei unbeherrschbarem Lösungszutritt (Seiten 43 ff) in Optionenvergleich Asse - Fachliche Bewertung der Stilllegungsoptionen
für die Schachtanlage Asse II, BfS, ohne Datum, im Cache,
1.1.1 Die GRS-Arbeitsziele betreffen die grundlegenden Sicherheitsfragen.
Es handelt es sich bei der Endlagersicherheitsforschung nicht um ein technisch ausgereiftes Arbeitsgebiet, für das die oben genannten TÜV-Qualitätskriterien i - iii gelten könnten. Man versucht vielmehr noch immer, das System kennen- und verstehen zu lernen. (Jeder GRS-Report trägt den Haftungsausschluß: "Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein beim Autor.")
"Die sichere Endlagerung radioaktiver Abfälle stellt eine komplexe wissenschaftliche und technische Herausforderung dar. Sie setzt Forschung und Entwicklung voraus, in der Fachleute unterschiedlicher Disziplinen wie etwa Geologie, Physik, Geophysik, Chemie und Ingenieurwissenschaften zusammenarbeiten." (Quelle: Forschung für eine sichere Endlagerung, GRS 2010, im Cache, 9.2.2011)
"Auf dem Gebiet der Endlagersicherheitsforschung trägt die GRS maßgeblich dazu bei, das Wissen und die Methoden bereitzustellen, die für eine sichere Endlagerung notwendig sind." (Quelle: Forschung für eine sichere Endlagerung, GRS 2010, im Cache, 9.2.2011)
"Wesentliches Ziel der Forschungsarbeiten [der GRS] ist es, wissenschaftliche Grundlagen für eine verlässliche Prognose einer Schadstoffmobilisierung durch chemische Wechselwirkungen zwischen Abfällen, Wirtsgestein, Barrieren und natürlichen Fluiden zu schaffen." (Quelle: H.-J. Herbert, Geochemische Modellierung, GRS 2010, im Cache)
1.1.2 Das heutige geochemische Verständnis der GRS steht auf dem 1980er Stand der internationalen Forschung.
In den USA wurden Ende der 1970er bis Anfang der 1980er Jahre im United States Geological Survey (USGS), am Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (MIT) mit Beteiligung der Stanford University und im Lawrence Livermore National Laboratory Computerprogramme fertiggestellt, mit denen die Verteilung ("Speziation") der chemischen Bestandteile von wässrigen Lösungen insbesondere auf adsorbierende Oberflächen ("Oberflächenkomplexierung") berechnet werden konnte [WATEQ, MINEQL, EQ3/6].
Die Programme werden häufig mißverständlich als Modelle bezeichnet, die ein grundsätzliches Verständnis der Vorgänge vermitteln (Vortragsfolie 4 von Knebel, 2011). Im Gegensatz zu Modellen bilden die Programme die Vorgänge an den adsorbierenden Oberflächen aber nicht ab, sondern komprimieren die in Experimenten erzeugten Daten unter Verwendung von physikochemischen Modellen. Das Ergebnis der Kompression ist die sog. thermodynamische Datenbasis. mehr ...
Ähnlich wie die deutsche nukleare Endlagerforschung allgemein hat die GRS
die amerikanischen Speziationsprogramme noch bis ins Jahr 2007 ignoriert (GRS 225, im Cache, 9.2.2011) und
mit dem Bericht GRS 246 (im Cache, 9.2.2011) im Jahr 2009 den internationalen Stand der frühen 1980er Jahre erreicht.
"in zunehmendem Maße [werden] geochemische Reaktionspfadmodellierungen durchgeführt", in H.-J. Herbert, Geochemische Modellierung, GRS 2010 (im Cache, 9.2.2011).
"Eine qualitativ hochwertige, einheitliche und verbindlich zu nutzende Referenzdatenbasis ist die Voraussetzung für vergleichbare und nachvollziehbare Ergebnisse von geochemischen Modellrechnungen in allen geologischen Formationen. Eine solche Referenzdatenbasis für die Anwendung in Endlager- und Sanierungsprojekten wurde jedoch in Deutschland bisher nicht erarbeitet. Deren Aufbau ist ein nationales Ziel, welches nun im Rahmen von THEREDA konsequent unter Einschaltung aller kompetenten Institutionen in Deutschland verfolgt wird." in THEREDA Projekt, 18. Februar 2011 (im Cache, 18.2.2011).
Beschränkungen:
"Die zur Beschreibung wässriger Lösungen erforderlichen thermodynamischen Daten
sind in vielen Fällen aus vorhandenen experimentellen Daten genau abgeleitet worden.
Für andere Systeme fehlen jedoch adäquate experimentelle Untersuchungen, so dass
diese nur unzureichend modelliert werden können, weil es zu Lücken und Unsicherhei-
ten in den thermodynamischen Datenbasen kommt. Aufgrund der Vielzahl zu berück-
sichtigender Prozesse und ggf. auch Parameter für unterschiedliche Ion-Ion-
Wechselwirkungen enthält eine thermodynamische Datenbasis schon im einfachen Fall
der Beschränkung auf 25 Celsius eine große Zahl von Daten. Um die Qualität der aufge-
nommenen Daten zu kontrollieren und die unabdingbare interne Konsistenz der ther-
modynamischen Daten zu gewährleisten, sind erhebliche Anstrengungen notwendig." Quelle: Thereda Handbuch Teil 1, V3.0, S. 8, Stand 18.4.2011, im Cache).
Allerdings gilt das noch nicht für die GRS-Modellierung der Radionuklidausbreitung. Der geochemische Teil des Radionuklidausbreitungsprogramms EMOS (im Cache, 9.2.2011) der GRS ignoriert den Stand des Wissens, wie er in Geochemielehrbüchern dargestellt ist, z.B. in D.A. Dzombak, F.A. Morel , Surface complexation modeling: hydrous ferric oxides.
Das GRS-Modell EMOS geht -wie die internationale Forschung bis in die 1980er Jahre- davon aus, daß nur das jeweils betrachtete Radionuklid einen Einfluß auf seine Adsorption hat, nicht aber die anderen Bestandteile des Porenwassers (GRS - 192 r3t -im Cache 22.4.2011, GRS 225 -im Cache 9.2.2011).
Damit sind im GRS-Modell -im Gegensatz zur Erfahrung- sämtliche zeitlichen und räumlichen geochemischen Veränderungen im einschlußwirksamen Bereich irrelevant. Das erleichtert der GRS die Langzeitsicherheitsaussagen, steht aber im Widerspruch zu den eigenen Vollständigkeitsansprüchen (Abschnitte 3.2.1 und 3.2.2 in diesem Bericht -im Cache).
Damit übersieht die GRS die Möglichkeit einer wandernden Radionuklidwelle, welche größere Radionuklidinventare aus dem nuklearen Endlager in die Biosphäre tragen kann.
Die vorläufige Sicherheitsanalyse Gorleben (VSG) ist eine vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderte Studie der GRS (Durchführung zusammen mit verschiedenen Projektpartnern). In der Projektbeschreibung zeigt sich die inhaltliche Unsicherheit der GRS in vagen Darstellungen der Probleme. Beispiel (Hervorhebungen in Kursiv von J. Gruber):
Für die Durchführung von Langzeitsicherheitsanalysen stellen sogenannte FEP-
Sammlungen eine maßgebliche Ausgangsbasis dar. Inhaltlich werden in ihnen
standort- und konzeptspezifisch alle sicherheitsrelevanten Merkmale, Ereignisse und
Prozesse (FEP) in Bezug auf das Endlagersystem systematisch aufgenommen und
beschrieben. Bei der Erstellung des FEP-Kataloges ist darauf zu achten, dass alle
FEPs, die für eine Endlagerung hochradioaktiver Abfälle in einem Salzstock in der
norddeutschen Tiefebene als relevant angesehen werden können, erfasst und die
wesentlichen Zusammenhänge zu den Ereignissen und Prozessen dargestellt werden,
die in einem Endlagersystem ablaufen können.
Zusammenfassung: Dieser Absatz stellte an Beispielen dar, daß weder das Modell der GRS noch deren thermodynamische Datenbasis in der Lage ist, die selbstgestellten Ansprüche zu erfüllen.
Der Vergleich der GRS-Ziele mit denen der internationalen Forschung (unten) wird zeigen, daß die GRS-Ziele inhaltlich zu leer sind, als daß auf ihrer Basis ein Forschungsprogramm formuliert werden könnte.
1.2 Nicht ausreichend konservative Einschätzungen des Arbeitskreises Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AkEnd)
"Der Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AkEnd) ist ein unabhängiger Arbeitskreis des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, der im Februar 1999 seine Arbeit aufnahm und im Dezember 2002 beendete.
Er hatte die Aufgabe, erstmals wissenschaftlich fundierte Kriterien für die Suche nach einem Endlagerstandort für radioaktiven Abfall aufzustellen.
Neben Kriterien für die geologische Eignung sollte der AkEnd auch ein geeignetes Suchverfahren mit Beteiligung der Öffentlichkeit entwickeln.
Die Empfehlungen des Arbeitskreises sollten mit der nationalen und internationalen Fachwelt und mit der interessierten Öffentlichkeit eingehend erörtert werden, um Transparenz und Akzeptanz für spätere Standortentscheidungen zu schaffen."
Die geochemisch/geologische Basis des AkEnd ist ähnlich veraltet wie die der GRS. Der AkEnd verfügte nicht über zeitgemäße geohydraulisch/geochemische Radionuklidausbreitungsmodelle und Daten.
Peter J. Ortoleva berichtete in den 1980er Jahren, daß sich geologisch/geochemische Systeme infolge ihrer internen nichtlinearen Wechselwirkungen selbst organisieren, sich also gegenüber dem entkoppelten System des AkEnd völlig verschieden verhalten.
Das blieb dem AkEnd offensichtlich verborgen, und daher übersieht er kritische Abläufe trotz seiner konservativ-vorsichtigen Einschätzung der Probleme, welche diese nichtlineare Geochemie in die Sicherheitsforschung bringt.
Man erkennt an diesem Beispiel die wesentliche Schwäche von heutigen Sicherheitsanalysen: Die Komplexität erlaubt noch keinen verläßlichen Überblick.
"Die vorhandenen Sorptionsdaten sind allerdings nur für die experimentellen Bedingungen gültig (z. B. bezüglich pH, Ionenstärke, allgemeine Lösungszusammensetzung), für die sie ermittelt wurden. Die Übertragung von Sorptionsdaten auf andere geochemische Bedingungen ist nicht möglich."
Somit ist eine Vorhersage der Radionuklidausbreitung unmöglich, weil die zeitliche Entwicklung der geochemischen Daten nicht bekannt ist. Das führt der AkEnd weiter aus:
"Das vorliegende Datenmaterial zum Chemismus von Tiefenwässern in Deutschland und die heterogene Verbreitung verschiedener Wassertypen auf engem Raum lässt keine flächendeckenden Aussagen zur Identifizierung von Gebieten, Regionen und Standorten auf der Basis hydrochemischer Kriterien zu. Bei tiefen Grundwässern ist das Wissen über deren Zusammensetzung derzeit zu lückenhaft, um eine Charakterisierung vornehmen zu können. Es fehlen in der Regel wichtige Daten, z. B. zum Redox-Potenzial und zur Konzentration von gelösten redoxsensitiven Komponenten. Angaben zu pH-Werten sind ebenfalls lückenhaft. Zuverlässige Aussagen sind daher erst nach genauerer regionaler bzw. standortspezifischer Betrachtung möglich."
Raum und Zeit sind hier austauschbar: Zuverlässige Aussagen können aus den genannten Gründen auch für die Zukunft nicht gemacht werden.
2. Internationaler Ausblick
2.1 Nichtlinearitäten erzeugen eine bisher unerforschte Eigendynamik der Radionuklidausbreitung.
Wenn die deutsche Endlagerforschung, insbesondere die der GRS, auf Grund ihrer schwachen Ankopplung an die amerikanische Forschung nun die internationale Entwicklung weiterhin nachvollziehen, insbesondere also mit umfangreicheren geologisch/geochemischen Rechenprogrammen isolierte Cluster (Ausbreitungsszenarien) von numerischen Lösungen erzeugen wird, öffnet sich vor ihr ein unübersehbares Spektrum von Ausbreitungsszenarien.
LOOK INSIDE: Suche nach "traveling waves", "oscillating chemical reactions", "fingering", "bifurcation", "front", "Liesegang bands" oder "banding".
Wie oben angedeutet, entwickeln solche geologisch/geochemischen Systeme auf Grund ihrer Nichtlinearitäten eine Eigendynamik, beispielsweise fangen sie mit zunehmender Komplexität an, in der Zeit und im Raum zu schwingen. Man kennt das von chemischen Reaktionen, die zeitlich oszillieren, und von Mustern in Gesteinsformationen (also räumlichen Oszillationen). Die Vielfalt dieser Erscheinungen beschreibt z.B. Philip Ball in "The Self-Made Tapestry: Pattern Formation in Nature".
Da die umfangreichen Computerprogramme ein interaktives Lernen unmöglich machen, braucht man den Anschluß an die zu Grunde liegende Mathematik, welche es gestattet, die Systemstrukturen zu erkennen (Beispiel: Chadam et al.). Mathematische Hilfe ist übrigens unerläßlich dabei, die rechnererzeugten Fehler ("Computer-Artefakte") von geologisch/geochemisch relevanten Vorgängen zu trennen.
2.1.1 Beispiele
2.1.1.1 Joachim Gruber: Unberechenbare Radionuklid-Schockwellen - Mögliche Bildung sekundärer hochradioaktiver Endlager in der Biosphäre
HLW muß von der Biosphäre so lange isoliert bleiben und seine Radioaktivität abklingen, daß auch biosphärennahe sekundäre HLW-Lagerstätten ungefährlich bleiben (Gefährlichkeit bewertet z.B. mithilfe von natürlichen geologischen Analoga). Sekundäre Radionuklidlagerstätten können sich auf mindestens 2 Weisen bilden:
Die lineare Geochemie (wie in den Radionuklid-Ausbreitungsmodellen der GRS bisher verwendet) liefert eine gleichmäßige Verteilung der Radionuklide in der aus dem Endlager austretenden Kontaminationsfahne, außer wenn sie auf geologisch vorgegebene, d.h. uns im Voraus bekannte, Fallen trifft. In diesen akkumulieren sich die Radionuklide.
Die Nichtlinearitäten in der Geochemie ermöglichen eine Selbstorganisation innerhalb der Kontaminationsfahne: Es bildet sich eine Radionuklid-Schockwelle ("shock", "traveling wave", scharfe Reaktionsfront), d.h. eine Welle, deren Radionuklidinventar auf die Wellenfront beschränkt ist, also hochmobil ist. In diesem Sinn ist die Wellenfront eine von der Kontaminationsfahne selbstorganisierte wandernde Falle, in der sich der hochaktive Abfall der Fahne akkumuliert (Details zum Modell). Schockwellen sind in der Geologie z.B. unter dem Namen Roll-Fronts bekannt.
Selbstorganisation einer Radionuklidfahne
x-Achse: Zellen (Poren) des mit der Strontiumfahne gleichmäßig kontaminierten Tuffs. y-Achse: pH, Strontiumkonzentration in Lösung (Srl, Einheit: 10-7 M), Strontiumkonzentration auf Tuffoberflächen (Srs, Einheit: 10-7 M).
Zeitschritt 0 zeigt den Zustand der Strontiumfahne vor Eindringen des Fremdwassers (Kontamination = (3.2 + 1.2) 10-7 M). In jedem Zeitschritt werden alle Porenwässer des kontaminierten Gebiets (der Strontiumfahne) um jeweils eine Zelle nach rechts verschoben und mit der Tuffoberfläche ins chemische Gleichgewicht gesetzt. Die dabei vom Porenwasser frei werdende erste Zelle füllt sich mit Fremdwasser, und das löst (remobilisiert) Strontium von der Gesteinsoberfläche. Mit jedem Zeitschritt dringt das Fremdwasser tiefer in die Strontiumfahne ein. Die Fremdwasserfront führt das remobilisierte Strontium mit sich, reichert sich also bei jedem Zeitschritt mehr mit Strontium an.
Bis auf die Sulfatkonzentration sind die Konzentrationen des Porenwassers der Strontiumfahne und des remobilisierenden Wassers identisch. Das remobilisierende Wasser löst also allein mit seiner niedrigeren Sulfatkonzentration Konzentrationswellen aus.
Numerische, d.h. auf Computer programmierte Modelle (wie die bisher in diesem Bericht diskutierten) liefern immer nur separate Antworten zu von uns eingegebenen Szenarien. Eine Inter- oder Extrapolation numerischer Ergebnisse ist bei nichtlinearen Systemen nicht möglich, weil ihr Verhalten -eben wegen der Nichtlinearität- numerisch nicht vorhersagbare Brüche zeigt.
Im Gegensatz dazu vermitteln mathematische Modelle ein zusammenhängendes Bild des Systems. Für die Endlagermodellierung geeignete wurden
"Chaos is one form of non-linear behaviour that is beginning to make its presence felt in the geological literature. However, this book is about self-organization - non-linear behaviour that may be just as disturbing to traditional views about how geological objects acquire their shapes and compositions." J.D. Clemens, Journal of Petrology
"Topics cover a variety of subjects such as network flow modeling, contemporary numerical methods, parallel computation, optimization, multiscale phenomena, upscaling, uncertainty reduction, well treatment, and media characterization.
The material addresses many problems originating from the applied geosciences and focuses on their common state-of-the-art mathematical and numerical treatment. This work is particularly pertinent to those working in industrial applications."
"A probability functional method is used to determine the most probable state of a reservoir or other subsurface features. The method is generalized to arrive at a self-consistent accounting of the multiple spatial scales involved by unifying information and homogenization theories. It is known that to take full advantage of the approach (e.g. to predict the spatial distribution of permeability, porosity, multi-phase flow parameters,stress, fracturing) one must embed multiple reaction, transport, mechanical (RTM) process simulators in the computation. A numerical technique is introduced to directly solve the inverse problem for the most probable distribution of reservoir state variables. The method is applied to several two and three dimensional reservoir delineation problems.
2.2 Oszillationen in Zeit und Raum: Versagen von traditionellen geologischen Vorhersagen
Um den Abstand der deutschen Forschung von der amerikanischen zu illustrieren, werden im Folgenden zwei Modelle einander gegenübergestellt: oben das Ziel der gegenwärtigen geochemischen Modellentwicklung in der GRS (2010) und unten ein etwa ein Jahrzehnt altes Computerprogramm von Peter J. Ortoleva und Mitarbeitern, Bloomington, Indiana, USA.
Das deutsche Modell geht von einer pauschalen Annahme der Endlagergeologen aus: "Eine seit geologischen Zeiten stabile Formation bleibt weiterhin über geologische Zeiträume stabil." Das amerikanische Modell widerlegt diese Annahme. Damit entgeht dem GRS-Modell ein möglicher Freisetzungsmechanismus aus dem Endlager.
"Bei der untertägigen Entsorgung radioaktiver Abfälle in einem Endlager und speziell dem Nachweis ihrer Langzeitsicherheit spielen geochemische und physikalisch-chemische Prozesse eine große Rolle. Zum Verständnis solcher Prozesse sind
neben der chemischen und mineralogischen Analyse der Abfälle selbst
eine geochemische Charakterisierung der Einlagerungsformation, der natürlich vorkommenden tiefen Grundwässer oder salinaren Lösungen, der konzipierten technischen Barrieren sowie eine Analyse und Bewertung möglicher Wechselwirkungen erforderlich."
"Zur Klärung dieser Fragen werden bei der GRS ... in zunehmendem Maße geochemische Reaktionspfadmodellierungen durchgeführt. Die hierfür notwendige thermodynamische Datenbasis wird - unter anderem anhand eigener experimenteller Daten - schrittweise um weitere Schadstoffe (Schwermetalle, Radionuklide) und wichtige, das chemische Milieu beeinflussende Elemente ergänzt. Die Kopplung (EQLink) geochemischer Rechencodes mit im eigenen Haus entwickelten Transportprogrammen (EMOS) sichert den Anschluss an internationale Standards.
Wesentliches Ziel der Forschungsarbeiten ist es, wissenschaftliche Grundlagen für eine verlässliche Prognose einer Schadstoffmobilisierung durch chemische Wechselwirkungen zwischen Abfällen, Wirtsgestein, Barrieren und natürlichen Fluiden zu schaffen."
Editors: John Chadam, Al Cunningham, Richard E. Ewing, Peter Ortoleva, and Mary Fanett Wheeler.Springer-Verlag, New York.131:131-160.
Seite 134 aus diesem Buch:
"[Unser] Becken-Reaktions-/Transport-/Mechanik-Modell ("Basin RTM") kann auch benutzt werden, um Empfindlichkeitsanalysen durchzuführen oder neue Phänomene zu identifizieren, so z.B. Selbstorganisation und andere nichtlineare Effekte, welche die Lage (Disposition) von Reservoiren in einem Becken dramatisch beeinflussen können (Ortoleva 1990, 1994a, Renard und Ortoleva 2001). Basin RTM-Simulationen zeigen, daß Sedimentbecken oder andere Krustensysteme höchst dynamisch sind, einen hohen Grad von Autonomie aufweisen und nicht einfach auf Details von äußeren Einflüssen antworten. Da Basin RTM Daten benutzt, welche die Jetztzeit und Charakteristiken der Lithologien (Gesteinsformationen) darstellen, um diese Eigenschaften über die [räumliche und zeitliche] Lokalisation dieser Daten hinaus zu extrapolieren, erweitert es die Verwendung und Interpretation von seismischen, Bohrloch-, Oberflächengeologie- und anderen Daten in Richtung auf ein Verständnis des heutigen und des historischen Zustands der Kruste. Basin RTM kann verwendet werden, um Zeitfenster zu identifizieren, während derer Formationen entlang eines vorgeschlagenen Migrationsweges offen waren und nicht blockiert wegen Kompaktierung, Rißschließung oder diagenetischer (erdgeschichtlicher) Zementierung. Alternativ kann Basin RTM vorhersagen, ob und wann eine Versiegelung aufgebrochen wurde und einige der Kohlenwasserstoffe auf Grund von natürlicher Rißbildung oder Durchlässigkeits-steigernden diagenetischen Reaktionen entkommen sind."
Literatur
Ortoleva 1990: Ortoleva, P. ed., 1990. Self-organization in geological systems. Proceedings of a Workshop held 26-30 June 1988, University of California at Santa Barbara, Earth Science Reviews 29 (1-4).
Renard und Ortoleva 2001: Memory and the Self-Organizing Planet, in Vorbereitung.
"Sich wiederholende Muster der Mineralisation oder Flüssigkeitszusammensetzung in Raum oder Zeit können durch geochemische Selbstorganisation spontan entstehen .... Mit anderen Worten: Es besteht keine Notwendigkeit für von außen auferlegte Periodizitäten wie jährliche Variationen der Ablagerungsraten [, und folglich kann man das Auftreten solcher Muster nicht auf Grund von äußeren Gegebenheiten vorhersagen]. Ein Verständnis dieser Phänomene könnte zu neuen Explorationsstrategien führen."
Zwischen 2450 m und 2700 m Tiefe wandert eine Rißfront mit erhöhter Durchlässigkeit (lange Pfeile in (b) und (c)) durch eine 250 m dicke Barriere (durch kurze Pfeile in (a) hervorgehoben). Die zeitliche Entwicklung geht von (a) = Ausgangssituation nach (c) = Endsituation. Der Zyklus (a) - (c) wiederholt sich, bis die treibende Kraft nachläßt oder tektonische Effekte die Barriere endgültig zerstören.
Solche treibenden Kräfte, d.h. in diesem Fall leicht entzündliche Gase, sind schon 1982 im Gorlebener Salzstock gefunden worden (U. Schneider, M. Edler, "Gas im Salzstock Gorleben", Greenpeace, 2.11.2010, im Cache).
"Die Deutsche Gesellschaft zum Bau und Betrieb von Endlagern (DBE) gibt den Flamm- und Brennpunkt des Gases mit 20 (!) Grad Celsius an. Die Einlagerungsbehälter für hochradioaktiven Atommüll (Pollux-Behälter) entwickeln an ihrer Oberfläche eine Temperatur von bis zu 200 Grad Celsius. Die Wärme des Strahlenmülls verursacht eine Ausdehnung des Gases und dadurch einen Druckanstieg im Salzstock. So entstehen Haarrisse und Klüfte, die neue Wegsamkeiten für Wasser und Gas schaffen."
Die deutsche Endlagerforschung hat darauf aber nicht mit der Modellierung von Folgen reagiert, sondern zusammen mit der Politik die Gasfunde verschwiegen (Gas unter Gorleben: Aus für das Endlagerprojekt, Die Linke im Bundestag, 2011, im Cache).
In den folgenden beiden Filmen werden einige Zyklen dieses Barrierebruchs, d.h. der Bildung neuer Wegsamkeiten in der Barriere, dargestellt. Das Datenmaterial zu den Filmen ist der Fig. 5 entnommen.
Schematischer Querschnitt durch die geologische Formation:
y-Achse vertikale Ausdehnung der Formation (wie in Fig. 5 und im Film 1), d.h. oberer Rand: Tiefe 0 m (Erdoberfläche), unterer Rand: Tiefe 3000 m. Entlang der x-Achse: horizontale Ausdehnung der Formation. Gesteinsdurchlässigkeit wird durch Schwärzung dargestellt (schwarz = geringste Durchlässigkeit).
Man erkennt die geringe Durchlässigkeit der oberen 500 m (schwarzer Balken oben) und die zu Anfang 250 m mächtige Barriere unterhalb 2450 m Tiefe (schwarzer Balken unten). Diese Barriere wird periodisch durch Kräfte von unten geöffnet, erkennbar an der periodischen Verringerung ihrer Mächtigkeit.
(Flash Video, 1 MB).
Fragen zum hier dargestellen Szenario "periodischer Isolationsbruch":
Wenn eine Barriere sich im Rhythmus von Jahrhunderten oder Jahrtausenden öffnet und schließt, wie kann man das in dem kleinen Zeitfenster erkennen, in dem die Endlagerexploration liegt?
In anderen Worten:
In den langen Zeiträumen zwischen dem Bersten täuscht die Barriere permanente Integrität vor, und man ist auf Modelle angewiesen, um der Täuschung zu entgehen.
Damit widerspricht Ortoleva einem pauschalen Argument der Endlagergeologen:
"Wenn eine geologische Formation eine Million Jahre alt ist, dann bleibt sie über weitere eine Million Jahre genau so, wie wir sie gerade angetroffen haben."
Der Grund für diese Fehleinschätzung: Anders als die Ingenieursgeologie hat die deutsche Endlagergeologie exakte Wissenschaften, wie Physik und Mathematik, noch nicht ausreichend eingebunden, die bei der Modellbildung helfen könnten. Die Endlagergeologie ist daher unzureichend quantitativ, und folglich kann die Gütigkeit von Aussagen nur selten überprüft werden. Außerdem wird kaum interdisziplinäre Öffentlichkeit hergestellt, die eine Veränderung einfordern könnte.
3. Schlußfolgerung und Ausblick:
Unzureichende Qualität des bisherigen Wissens
Die Sicherheit von Endlagern für hochradioaktiven Abfall (HLW) ist noch Gegenstand der Forschung, die auf Arbeitshypothesen basiert. Sicherheitsgarantien, wie wir sie in der modernen Industrietechnik, Physik und Chemie geben können, kann man daher besonders in Deutschland unverändert seit Jahrzehnten nicht geben.
In einem wissenschaftlich-technischem Gebiet mit gravierenden Unsicherheiten ("weißen Flecken") kann ein Großteil der Aussagen nur als
(3.4) in der Wissensaufbereitung (Wikipedia, Wikis) oder
(3.5) in neueren sozialen Netzwerken für Wissenschaftler (Michael Nielsen, "Open Science" (TEDxWaterloo, April 6, 2011), "Offene Forschung und vernetztes Wissen"(breitband, Deutschlandradio Kultur, 29.6.2011)), z.B.
Zu (a): Nur ein Zusammenwirken von Geologie und Geochemie kann hochradioaktiven Abfall über Jahrtausende von der Biosphäre isolieren. Das gewaltige Ausmaß der ungelösten geochemischen Probleme wird erkennbar in
Boxes 2, 7 & 8, 9
aus einem
Report des Committee on Radioactive Waste Management, eines britischen Arbeitskreises, der dem deutschen Arbeitskreis "Auswahlverfahren Endlagerstandorte"
(AkEnd) ähnlich ist
(GDF in den Boxes ist die Abkürzung für Geological Disposal Facility, Cache des Reports).
Zu (b): Das International Panel on Climate Change (IPCC) hat einen fachübergreifenden und internationalen Konsens bzgl. der zu verwendenden Modelle gefunden. Ein qualitativ anspruchsvolles ähnliches Vorgehen in der geologisch/geochemischen Langzeitsicherheitsforschung ist bei den im Internet vorliegenden wissenschaftlichen Aktivitäten nicht zu erkennen.
Beispiel: Kapitel 4.1.4.10 "Rückhaltevermögen der Gesteine gegenüber Radionukliden" (in Empfehlungen des AkEnd) läßt die in der internationalen Fachliteratur diskutierte physikalisch-chemische Komplexität der Radionuklidrückhaltung und die mathematisch-rechnerischen Probleme unerwähnt, die entstehen, wenn man diese Komplexität berücksichtigt.
Der Sicherheitsstandard der DIN mit der damit verbundenen Qualitätsgarantie wird bei weitem nicht erreicht,
2 und 3 sind nicht erfüllt: Insbesondere, so scheint mir, fehlt ein System im Umfang, wie in 3.1 dargestellt. Darüberhinaus ist es der deutschen Forschung nicht gelungen, alle relevanten Fachgebiete (insbesondere die Mathematik) einzubeziehen.
Sowohl die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit als auch der Arbeitskreis "Auswahlverfahren Endlagerstandorte" haben ein 2 - 3 Jahrzehnte veraltetes Verständnis vom Einfluß der Geochemie.
Je mehr die deutsche Endlagerforschung ihren Rückstand gegenüber der amerikanischen aufholt, umso tiefer gerät sie in die gravierenden Probleme, welche die geologisch/geochemische Eigendynamik für uns bereithält.
4.1 Entwicklung der Mengen an hochaktivem Abfall (High Level Waste, HLW)
Abbildung: Anfall an abgebrannten Brennelementen (HLW) aus den 17 deutschen Leichtwasserreaktoren (LWR), gemessen in 1000 t "Schwermetall" (Heavy Metal), ktHM.
Legende:
kt = 1000 t
HM (heavy metal) = Kernbrennstoff
AkEnd = Anfallsprognose des AkEnd bei Atomausstieg
bei Laufzeitverlängerung
BfS = Anfallsprognose des Bundesamts für Strahlenschutz (370 tHM/Jahr, mehr Information)
0.5 kt/a = 500 tHM pro Jahr, d.h. bei einer Leistung von ca. 2.5 GWth pro Leichtwasserreaktor (LWR)
Erforderliche Anzahl von Castorbehältern:
Ein Castorbehälter vom Typ CASTOR V/19 kann zum Transport 19 Druckwasserreaktor-Brennelemente (mit etwa 0.5 t Schwermetall pro Brennelement, abgekürzt 0.5 tHM/BE) aufnehmen (Schwermetall, HM = spaltbares Material, also Uran und Plutonium). Im Zwischenlager darf ein Castor maximal 180 kg Schwermetall enthalten.
Pro Tag (d) erzeugt ein Druckwasserreaktor-Kernkraftwerk der Leistung 3 GWth (= 1 GWe) etwa 55 bis 75 kgHM (Abbrand = 40 bis 55 GWth d pro tHM).
Folglich füllt ein Kernkraftwerk
alle 7 - 10 Betriebstage einen neuen Transport-Castorbehälter mit hochaktivem Abfall oder
alle 2 - 3 Betriebstage einen neuen Zwischenlager-Castorbehälter mit hochaktivem Abfall.
Abbildung: Radionuklidinventar pro tHM in abgebrannten Brennelementen eines LWR, ausgedrückt als effektive Strahlendosis, gemessen in Sievert (Sv), links: Transurane, rechts: Spaltprodukte. Von Brennelementen erzeugte thermische Energie ("Abbrand"): 41.2 GW Tage pro tHM.
Quelle: Fig. 2.5 von Tucek
Jeden Tag erzeugt unser Kernkraftwerkspark (von 17 Reaktoren) etwa soviel hochradioaktiven Abfall (HLW), daß ganz Deutschland damit für ein Jahrtausend entvölkert werden kann (Strahlenschäden beim Menschen).
Damit ist die Bevölkerungsdosis (population dose), ab der Deutschland (mit einer Bevölkerung von 80 Millionen Einwohnern) evakuiert werden sollte: 8 107 Personen x 1 Sv.
1 tHM hält 108 Sv bereit, und zwar hauptsächlich Radionuklide, welche -einmal in den Körper aufgenommen- für das ganze Leben in ihm verweilen.
Es läuft seit den 1980er Jahren eine Diskussion über die Transmutation des nuklearen Abfalls, d.h. eine Umwandlung der langlebigen Aktiniden in Spaltprodukte durch Bestrahlung im Reaktor (z.B. Brüter, FBR) oder Beschleuniger (Accelerator Driven Systems, ADS). Die Idee ist, daß dadurch die Lagerungsdauer von Jahrmillionen auf mehrere menschliche Generationen reduziert werden kann.
Unter den schwierigsten Problemen sind
neue Formen der Wiederaufarbeitung (d.h. der chemischen Trennung ("Partitionierung") der Elemente im abgebrannten Brennstoff, z.B. die Abtrennung der Wärmeerzeuger Strontium und Caesium), die dafür nötig werden.
Reaktor- und Beschleunigerdesigns.
Auswirkungen auf die Endlager: Es ist unklar, wie sich die Verschiebung des Gefährdungsspektrums (sowohl des Zeitmaßstabs als auch der Chemie des Abfalls) durch Partitionierung unter Leckagen in die Umwelt plus Endlagerung der Chemieabfälle aus der Betriebsphase und der transmutierten Abfälle auswirkt.
Könnten die neuen chemischen Formen des Abfalls geologisch nicht gefährlicher sein als die in den abgebrannten Brennelementen? Man hätte dann die Gefährdungsdauer (vielleicht nur geringfügig, da Partitionierung nie vollständig gelingt) verkürzt und dafür aber die geologisch/geochemische Endlagerbarriere geöffnet.
4.3 Auswahl des Standorts Gorleben Gerd Lüttig: Eine Fülle von Lügen
"Dr. Albrecht sagte mir: 'Ich habe die Auswahl getroffen, ich habe Gorleben ausgewählt.'
Worauf ich sagte: 'Herr Dr. Albrecht, Sie wissen doch genau, daß Gorleben garnicht auf meiner Liste steht, auf der Liste der ... besonders gut geeigneten Salzstöcke.'
'Ja, das macht nichts. Das ist jetzt eine politische Entscheidung.'
Ich sage:'Wem haben Sie denn diese Schreckensnachricht zu verdanken?'
'Ja, ich habe einen Nachbarn, der ist Bergdirektor gewesen, und der hat mir gesagt:
Sie suchen einen Salzstock, und der soll nahe der Zonengrenze sein?
Ja, ich möchte ja, daß die Ostzonalen sich richtig ärgern.
Dann nehmen Sie doch Gorleben, der ist groß, der liegt an der Zonengrenze, und wenn man daran geht, dort ein Endlager oder ein Zwischenlager [einzurichten], dann ist das der richtige Standort.'
Kapitel Unaufrichtigkeit, politisches Kalkül: ... wenn so verschiedene Leute, die heute in ähnlicher Situation Deklarationen zum Fenster hinaus befördern, sich äußern, dann muß ich sagen, der Unterschied ist nicht zu erkennen."
