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Langzeitversuch mit Betonit

Geologen suchen nach der richtigen Barriere für Atommüll

| Autor / Redakteur: Sebastian Hollstein* / Marc Platthaus

Tunnel-Packer-System des CFM-Projektes im Felslabor Grimsel
Tunnel-Packer-System des CFM-Projektes im Felslabor Grimsel (Bild: Franz Rinderknecht/KIT)

Nach wie vor ist nicht geklärt, wie der Atom-Abfall aus Kernkraftwerken sicher gelagert werden kann. Doch neben der Suche nach einem geeigneten Endlager sind auch die Lagerbedingungen noch längst nicht geklärt. In einem Schweizer Felslabor untersucht ein Geologen-Team nun in Langzeitversuchen u.a. ein tonhaltiges gepresstes Mineralpulver, das so genannte Betonit.

Jena – Auch nach dem offiziell beschlossenen Ausstieg aus der Kernenergie hierzulande ist eine Frage bisher ungeklärt: Wohin mit dem Atommüll? Bei aller politischen Brisanz, mit der das Thema unmittelbar verbunden ist, vergisst man häufig, dass die Suche nach dem optimalen Standort eines Endlagers für atomaren Abfall vor allem eine Aufgabe für die Wissenschaft ist. Auch die Friedrich-Schiller-Universität Jena ist daran beteiligt. So erforschen Jenaer Geologen gemeinsam mit Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie sowie der Gesellschaft für Reaktorsicherheit im Schweizer Felslabor Grimsel Materialien und Systeme, die die Funktion einer geotechnischen Barriere in einem möglichen Endlager übernehmen können. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert das Projekt „KOLLORADO-e3“ mit rund einer Million Euro für die kommenden drei Jahre – etwa 375.000 Euro gehen dabei an den Projektleiter Prof. Dr. Thorsten Schäfer von der Universität Jena.

Tonstein, Steinsalz oder kristallines Gestein

„Als mögliches Wirtsgestein für ein tiefengeologisches Endlager kommen grundsätzlich Tonstein, Steinsalz oder kristallines Gestein, wie Granit, in Frage“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schäfer von der Universität Jena. „Wir konzentrieren uns während unserer Arbeit derzeit auf kristallines Gestein und nehmen dabei insbesondere unter die Lupe, was passiert, wenn entsprechende Endlagersysteme mit für Kalt- und Eiszeiten typischen niedrig mineralisierten Wässern in Berührung kommen.“ Während Wasser Tonstein eher diffundierend wie bei einem Schwamm durchdringt, durchströmt Wasser in kristalliner Umgebung langsam freie Klüfte. Deshalb gelten hier andere Anforderungen an die Barrieren.

Zentimetergroßes Endlager im Kontakt mit einer Kluft

Während des neuen Projektes wertet das Forschungsteam ein Langzeit-in-situ-Experiment aus, das bereits vor über vier Jahren gestartet wurde. „Dabei haben wir ein kleines, im Durchmesser etwa zehn Zentimeter umfassendes Barriere-System in eine natürliche Kluft im Felslabor Grimsel eingebracht“, erklärt Schäfer. Das Modell enthält wie die geplanten Endlager radioaktives Material sowie eine technische Barriere, vergleichbar einem Stahlkanister. Eingeschlossen wird beides von einer geotechnischen Barriere. Für letztere wählten die Forschenden einen Zylinder aus Bentonit, ein tonhaltiges gepresstes Mineralpulver. Es zeichnet sich durch seine besondere Quellfähigkeit aus und eignet sich deshalb sehr gut, in Verbindung mit Wasser Hohlräume im Inneren eines solchen Aufbaus zu verschließen.

Vorort-Auswertung der Sensorendaten und online-Nanopartikelmessung.
Vorort-Auswertung der Sensorendaten und online-Nanopartikelmessung. (Bild: Franz Rinderknecht/KIT)

Das „Mini-Endlager“ haben die Geologen mit verschiedenen Sensoren über die Jahre hinweg beobachtet und nun durch eine Kronbohrung wieder aus dem Stein herausgeschnitten. In den kommenden drei Jahren werden sie untersuchen, was in dem Bohrkern passiert ist. „Wir wissen bereits, dass sich die Radionuklide zwar bewegt, aber nicht sehr weit bewegt haben. Die Barriere hat also grundsätzlich gehalten – und das obwohl wir das radioaktive Material außerhalb des Stahlkanisters im Bentonitring positioniert haben, um speziell die Dauerhaftigkeit der geotechnischen Barriere untersuchen zu können“, sagt der Jenaer Geologe. „Vermutlich haben seine besonderen Eigenschaften – etwa seine große Oberfläche – die Nuklide zumeist zurückgehalten.“ Das gilt es nun, genauer zu analysieren.

Bentonit erodiert langsamer als vorher vermutet

Außerdem wollen die Forscher herausfinden, wie sich der Bentonit mit den für zukünftige Eiszeiten typischen mineralarmen Wässern in der Kluft verhält. „Aufgrund seiner niedrigen Ionenstärke schwämmt das Wasser die Tonmineralien aus dem Bentonit heraus – es kommt zu einer Erosion im Bereich des Kontaktes zur Kluft“, sagt Schäfer. „Allerdings geschieht dies weitaus langsamer als im Vorfeld prognostiziert.“ Warum das so ist, soll ebenfalls im Laufe des neuen Projektes geklärt werden.

Ergänzendes zum Thema
 
Aufgabe für Generationen

Mit den gesammelten Informationen will das Forschungsteam Modelle entwickeln, um Unsicherheiten über die Aussagen zur Stabilität einer solchen Barriere über einen weitaus größeren Zeitraum hinaus reduzieren zu können. Denn die Zielstellung für die Suche nach einer geeigneten Endlagerstätte ist es, einen Ort und ein entsprechendes System zu finden, an bzw. in dem der atomare Abfall bis zu einer Million Jahre lang verbleibt, so lange bis seine Strahlungswerte schließlich durch Zerfall auf ein Niveau vergleichbarer natürlicher Vorkommen abgenommen haben.

* S. Hollstein, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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