Risiken und Nebenwirkungen" bei einer Flutung des Atommülllagers Asse II mittels Schutzfluid

sicherheitsgefährdende chemische Prozesse

von Rolf Bertram

"Man kann Probleme nicht mit Methoden lösen, die sie geschaffen haben." (Albert Einstein)

Die Vollverfüllung - als eine Stilllegungsoption für Asse II - sieht vor, die oberen Bereiche der Schachtanlage mit Beton zu verfüllen und unterhalb der 700-Meter-Sohle mit einer gesättigten Magnesiumchloridlösung (sogenanntem Schutzfluid) zu fluten. Dadurch würde früher oder später das gesamte auf der 725 Meter- und 750 Meter-Sohle eingelagerte radioaktive und nichtradioaktive Inventar sowie das zur Verfüllung der Einlagerungskammern verwendete Material in Kontakt mit der wässrigen Lösung kommen.

Auch bei der Notfallplanung ist beim Eintritt des Notfalls eine Flutung mittels Schutzfluid vorgesehen. Auch hierbei würde das eingelagerte Material der Einwirkung der gesättigten Magnesiumchloridlösung ausgesetzt.In beiden Fällen ist eine trockene Lagerung des Inventars unmöglich. Die geforderte Langzeitsicherheit (für 1 Million Jahre) ist bei Verfüllung mit Beton und Magnesiumchloridlauge nicht zu gewährleisten.


Allgemeines

Im Falle einer Flutung würde bei der stofflichen Vielfalt des eingelagerten Inventars und den unüberschaubaren Möglichkeiten zur chemischen und strukturellen Materialumwandlung ein System hochkomplexer Wechselwirkungen vorliegen. In Gegenwart von Wasser in Form wässriger Lösungen und/oder durchfeuchteten Phasengemischen (z.B. Salzgrus) würden Prozesse aktiviert, die mit den derzeitigen Erkenntnissen zur Reaktionskinetik weder prognostizierbar noch abschätzbar sind. Eine Folge dieser Aktivierung sind mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ablaufende Produktbildungen über verzweigte und weitgehend unbekannte Reaktionswege. Es ist bekannt, dass diese neugebildeten Produkte in allen Aggregatzuständen auftreten und selbst hochreaktiv sein können. Primär entstandene Stoffe können Starter für weitere gekoppelte Folgereaktionen (Reaktionsketten, Verzweigungsreaktionen, etc.) mit weiteren Sekundärprodukten sein und so fort. Das "Schutzfluid" ist ein ideales Reaktionsmilieu, in dem die genannten Prozesse sogar stärker ablaufen als in reinem Wasser oder in ungesättigten Salzlösungen. Die Durchdringung der chemischen, strahlenchemischen und elektrochemischen Prozesse und eine wechselseitige Verstärkung führen zu Reaktionsynergismen, die nicht kontrollierbar und messtechnisch kaum erfassbar sind. Die zur Stabilisierung der Schachtanlage vorgesehene Flutung mit einer wässrigen gesättigten Magnesiumchloridlösung bietet keinen Schutz gegen sicherheitsgefährdende chemische, elektrochemische und strahlenchemische Prozesse.

Systemtheoretisch handelt es sich um ein nichtlineares dynamisches Verhalten, das sich wegen der räumlichen Inhomogenitäten, der zeitlichen Schwankungen und der unübersichtlichen Kopplungsphänomene einer prozessbegleitenden Simulation entzieht. Im Fall Asse kommt hinzu, dass die einzelnen Prozesse und Prozessorte - so sie denn bekannt sind - von ihrer chemischen und strukturellen Umgebung (Eigenschaften der Einbettungsmaterialien, Zustand der Einlagerungskammern) beeinflusst werden. Obwohl deterministische Ursachen die Prozessabläufe steuern, ist das Prozessverhalten insgesamt nicht vorhersehbar.

Die Langzeitdynamik ist danach geprägt durch ständige Veränderung der Systemparameter und damit auch der Systemdynamik.

Chemische Prozesse in Gegenwart von wässrigen Lösungen

Bei chemischen Prozessen ist zu unterscheiden zwischen thermisch und nichtthermisch kontrollierten chemischen Reaktionen. Bei Letzteren erfolgt die für eine Reaktion erforderliche Energiezufuhr nicht durch Wärme (d.h. thermisch) sondern durch energiereiche Strahlung (Radiochemie) oder elektrisch (Elektrochemie). Art und Geschwindigkeit der Energieabsorption am Ort der Reaktion sind ganz verschieden. Während sich bei den thermisch aktivierten Reaktionen der gesamte Reaktionsraum relativ langsam erwärmt, erfolgt die nichtthermische Aktivierung momentan und gezielt an einem begrenzten Molekülensemble. In Bruchteilen von Sekunden wird durch Alpha-, Beta- und Gammastrahlung eine Vielfalt von reaktionsfähigen Spezies wie Radikalionen, Radikale und angeregte Teilchen erzeugt.

Die Besonderheit der Kinetik nichtthermisch aktivierter Gesamt- oder Teilreaktionen insbesondere bei inhomogener Verteilung von Radionukliden und permanenter Energiezufuhr durch radioaktive Strahlung besteht darin, dass es infolge der gleichzeitig und ständig ablaufenden Diffusions-, Solvatations- und Relaxationsvorgänge weder zu einem Thermodynamischen Gleichgewicht noch zu einem Fließgleichgewicht ("steady state") kommen kann. Auch die Irreversible Thermodynamik ist nicht geeignet, solche Vorgänge zu erfassen.

Asse-relevante Prozesse

Die grundsätzliche Problematik - wenn auch nicht ausdrücklich auf Asse bezogen - wurde teilweise bereits 1993 von BREWITZ richtig umrissen: "Unsere bisherigen sicherheitsanalytischen Arbeiten haben aufgezeigt, daß die Korrosion der schwach- und mittelradioaktiven Abfälle mit ihrer Zementmatrix durch NaCl- oder Q-Laugen und die Bildung eines stark von diesen Prozessen abhängigen chemischen Milieus die Mobilisierung der Radionuklide bzw. die Bildung von Löslichkeitsgrenzen und die Ausfällung mit der Bindung an Korrossionsprodukte bestimmt. Die Frage ist, welche Radionuklide in welchen Konzentrationen letztlich in Lösung bleiben und über Auspressvorgänge in das überlagernde Deckgebirge freigesetzt werden können."

In einem Bericht des Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) aus dem Jahre 2003 wird folgendes ausgeführt: "Gelangen wässrige Lösungen in das Nahfeld eines Endlagers, unterliegen die Abfallgebinde sowie die umliegenden geotechnischen Barrieren einer Vielzahl chemischer Reaktionen. Durch ablaufende Lösungs- und Transport-Prozesse können Radionuklide aus den Abfallgebinden remobilisiert und aus dem Nahfeld eines Endlagers transportiert werden."

Nach den vorliegenden Dokumentationen zu den eingelagerten chemischen und chemotoxischen Stoffe [5] und zum nuklidspezifischen Aktivitätsinventar [6] sind derzeit zahlreiche reaktionsfähige Stoffe in der Schachtanlage Asse II vorhanden. In Gegenwart von Feuchte, insbesondere aber beim Kontakt mit wässrigen Lösungen, kommt es unvermeidbar zu vielfältigen Prozessabläufen. Im Falle einer Flutung mit Magnesiumchloridlauge würden zusätzlich große Mengen an Lösungswasser, Magnesium und Chlorid vorliegen. Da technisch hergestellte Laugen unter anderem Spuren von Blei, Quecksilber und Arsen enthalten, würde bei den großen Füllvolumina der Eintrag dieser toxischen Schwermetalle den Anteil der ohnehin vorhandenen Schadstoffe erhöhen. Auch durch den bereits eingebrachten und weiter zur Verfüllung und Stabilisierung vorgesehenen Beton werden erhebliche Mengen an toxischen Metallen wie Cadmium, Blei, Arsen, Chrom, Quecksilber, Uran, Thorium und viele andere eingetragen. Es ist bekannt, dass diese Stoffe durch Auslaugung des Betons früher oder später in Lösung gehen. Ein Transport dieser schadstoffenthaltenden und kontaminierten Lösungen über Poren, Risse und klüftige Strukturen ist trotz technischer Barrieren nicht auszuschließen.

Gasbildende Prozesse

Die in 2005 erstellte ISTEC-Studie "Realistische und maximale Gasbildung in der Schachtanlage Asse" ist ein Versuch, einem Auftrag nachzukommen, der mit der gewählten Methodik und den unrealistischen und zum Teil unzutreffenden Grundannahmen nicht erfüllt werden konnte. Da diese Studie gegenwärtig als Orientierung bei zu treffenden Entscheidungen und Maßnahmen dient, werden hier im Folgenden einige grundsätzlichen Defizite benannt.


Grundsätzliche Defizite der ISTEC-Studie

Die Nichtberücksichtigung synergistischer Effekte

In der Studie werden die verschiedenen gasbildenden Prozesse recht umfassend dargestellt - aber so, als würden sie unbeeinflusst voneinander ablaufen. Dabei ist lange bekannt und nachgewiesen, dass die auf verschiedenen Ursachen beruhenden Reaktionen und deren Produkte miteinander in Wechselwirkung stehen.

Die Nichtberücksichtigung der lokalen Dosisleistungen
bei den radiolytischen Betrachtungen

Der Annahme, dass es aufgrund der "geringen akkumulierbaren Dosis" nur "zu einer praktisch vernachlässigbaren Gasbildung" durch Radiolyse käme, wäre nur zu folgen, wenn die berechnete Gesamtaktivität des schwach- und mittellaktiven Inventars über alle Gebinde und über alle Einlagerungskammern gleichmäßig verteilt wäre. Aber genau das ist nicht der Fall. Nach den vorliegenden "Begleitlisten" unterscheiden sich die "maximalen Dosisleistungen an der Außenseite der Fässer" um mehr als vier Zehnerpotenzen. Die radiolytischen Vorgänge an einem Fass mit 7000 rem/h (an der Außenseite) sind völlig verschieden von einem Fass, dessen Dosisleistung unter 1 rem/h liegt. Nicht die Gesamtaktiviät ist ein Maß für die Auslösung strahlenchemischer Reaktionen, sondern die Aktivität am Reaktionsort. Von dort aus kann sich das Reaktionsgeschehen durch gebildete Radikale in benachbarte Bereiche relativ schnell fortpflanzen. In Asse existieren Bereiche mit hoher Aktivität und damit auch mit hoher radiolytischer Gasbildungsrate. Bei Freisetzung von Alpha- und Beta-Radionukliden infolge defekter Gebinde wäre zusätzlich eine Gasbildung insbesondere durch Alpha-Radiolyse zu berücksichtigen.

Dass in der Studie die Gasbildung durch Radiolyse als nur gering eingeschätzt wird, verwundert um so mehr, als es bezüglich der Unsicherheit der Gasbildungsrate dort heißt: "Die Abschätzung der radiolytischen Gasbildung hat eine sehr große Unsicherheit. () Die Unsicherheiten aufgrund der Vielzahl von Einflussfaktoren auf die Gasbildungsrate (Lösungszusammensetzung, Metalle, Oberflächen, Oberflächenbeschaffenheit, Abfallzusammensetzung) können nur zum Teil durch eine Auswertung vieler Experimente herausgemittelt werden. Die Unsicherheit der gemittelten Gasbildungsraten für die standortspezifischen Bedingungen der Schachtanlage Asse in Abhängigkeit vom pH-Wert wird in der vorliegenden Berechnung auf eine Größenordnung geschätzt."

Die Nichtberücksichtigung der oben charakterisierten
nichtthermischen Reaktionskinetik

Bei nichtthermischer Energieübertragung ist der Anteil reaktionsfähiger Spezies gegenüber der thermischen Energieübertragung dadurch erheblich erhöht, dass ein größerer Teil der Moleküle die Schwelle der Aktivierungsenergie übersteigt.

Als Beispiele für nichtbeachtete Prozesse mögen folgende in der Literatur beschriebene Reaktionen dienen:

  • Wasserstoff kann nicht nur mit Luftsauerstoff und Chlorgas explosive Gemische bilden (Knallgas, Chlorknallgas) sondern auch mit Stickoxiden.
  • Bekannt ist, dass beim Kontakt zwischen Atommüll und hochsalinaren Laugen Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxide, Methan und andere Kohlenwasserstoffe entstehen.
  • Bekannt ist auch, dass in spaltprodukthaltigen Bitumen- und Zementprodukten durch Radiolyse zündfähige Gasgemische entstehen, was besonders bei abgeschlossenen Bereichen ohne Bewetterung zu beachten ist.
  • Auch durch radiolytische Zersetzung der vorhandenen Kohlenwasserstoffe können entflammbare und explosive Gasgemische entstehen.

Durch Zündquellen ausgelöst kann es zu heftigen Gasreaktionen (Deflagration, Explosion, Detonation) kommen. Als Zündquellen kommen infrage Alpha-, Beta-, Gammastrahlung, Elektrische Funkenbildung, Selbsterhitzung durch Reaktionswärme und Adiabatische Kompressionen.

Zu den Folgen gasbildender Prozesse hat die Reaktorsicherheitskommission (RSK) bereits 2005 wie folgt Stellung genommen: "Bei einem undurchlässigen Wirtsgestein können die Gasdrücke bei entsprechender Gasbildung den Gebirgsdruck überschreiten."

Nichtberücksichtigung der realistischen Randbedingungen

In der Studie werden unter "Phasen der Gasbildung" methodisch korrekt drei "geflutete" Phasen unterschieden. Der Verlauf der Gasbildung in den jeweiligen Phasen wird jedoch unter der Annahme "konstanter physikalisch-chemischer Randbedingungen" beschrieben. Wie oben dargelegt, ist die Realität bei Flutung aber gekennzeichnet durch ständig sich ändernde Randbedingungen und damit auch durch sich ständig ändernde Gasbildungsverläufe.

Da in der Studie eine Vielzahl von Einflüssen nicht berücksichtigt, der Anteil der schwachaktiven Abfälle an der Gasbildung hoch unterschätzt und die Gasbildung unter unrealistischen Randbedingungen abgeschätzt wurde, ist sie weit davon entfernt, die tatsächlich ablaufende Gasbildung zu beschreiben. Von der Ermittlung einer "maximalen Gasbildung" kann daher keine Rede sein.


Heterogene Prozesse

Allgemeines

Nach Auflösung der Behälter und deren Ummantelung durch Korrosion und Auslaugung würde ein auf das umgebende Salz (kompakt oder Salzgrus) übergreifendes vielkomponentiges Mehrphasensystem in einer hochvernetzten Struktur mit einer Fülle von aneinander grenzenden Phasen vorliegen. Da Reaktionsgeschwindigkeiten in Grenzschichten in der Regel diffusionsgesteuert sind, wird die ständige Veränderung der Porosität, der Kompaktion und der Permeabilität des Reaktionsraumes sowohl für den Flüssigkeits- wie für den Gastransport eine bedeutende Rolle spielen.

Grenzschichten sind bevorzugte Orte für reaktionsauslösende Primärprozesse. Auf diesem Sachverhalt beruht die in der chemischen Reaktions- und Verfahrenstechnik mit Erfolg zur Produktsteigerung eingesetzte heterogene Katalyse. Dabei wird ausgenutzt, dass innerhalb der Grenzschichten - zum Beispiel zwischen festen und flüssigen Phasen - kurzreichende extrem starke Kräfte auftreten, die in der Lage sind, potentielle Reaktionspartner zur Reaktion anzuregen. Grenzschichten dieser Art treten durch die vermischten also dicht aneinander grenzenden Inventarkomponenten in großer Zahl auf, beispielsweise als filmartige Wasserschichten in den Kontaktzonen von durchfeuchteten porösen Strukturen oder von feuchtem Schüttgut (hier Salzgrus). Die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zwischen Fest/Flüssig-Reaktionen werden durch den An- und Abtransport der an der Reaktion beteiligten Komponenten kontrolliert (Diffusion). Der Verlauf von Grenzschicht-Reaktionen ist wegen der vielen und zeitlich und räumlich variierenden Einflussgrößen kaum abzuschätzen. Nur unter stark vereinfachenden Annahmen und unter Zuhilfenahme der Perkolationstheorie könnte es gelingen, den Trend der vorhandenen Kopplungen zwischen Permeabilitäts- und Porositätsverhalten zu modellieren.

Strahlenchemische Prozesse in Grenzschichten

Über strahlenchemische Prozesse in heterogenen Systemen, deren Eigenschaften vorrangig durch Grenzschichtstrukturen geprägt sind, gibt es wenig belastbare Daten. Trotz vieler Beobachtungen über die Einwirkung ionisierender Strahlen ist eine allgemein anerkannte Kinetik für strahlenchemische Reaktionen in Grenzschichten noch nicht entwickelt.

Durch Absorption der permanent einwirkenden ionisierenden Strahlung werden die reaktionsfördernden Eigenschaften der Grenzschicht wesentlich bestimmt. Es werden Prozesse ausgelöst, die in unbestrahlter Situation und in homogener Phase gar nicht oder nur mit verminderter Ausbeute auftreten.

Die Erkenntnisse aus radiolytischen Untersuchungen in Salzlaugen sowie daraus abgeleitete Berechnungen zur Erstellung einer Reaktionskinetik sind - weil an Modellsubstanzen und unter unrealistischen Annahmen durchgeführt - für die Verhältnisse in Asse nur von geringem Wert.

Elektrochemische Prozesse

In dem überwiegend unsortierten Komponentengemisch ist mit Phasenkontakten aller Art zu rechnen. Da sich im Grenzschichtbereich Feldstärken über 1 Million Volt pro Meter (V/m) aufbauen und dadurch Molekül-Orbitale bis zur Reaktionsfähigkeit deformiert werden, sind Grenzflächen zwischen Phasen bevorzugter Ort für elektrochemische Reaktionen. Im dynamischen Asse-System ist lokal begrenzt mit fluktuierenden elektrischen Feldern und schwankender Migration zu rechnen, mit Prozessen also, die diverse elektrochemische Reaktionen unterschiedlicher Geschwindigkeit und weitreichender Kopplung ermöglichen.

An Phasenübergängen zwischen den vorhandenen ionen- und elektronenleitenden Phasen laufen unvermeidbar potentialbildende Prozesse ab. Als Ionenleiter kommen Elektrolytlösungen (Salzlaugen), als Elektronenleiter vorrangig Metalle aber auch halbleitende Materialien (z.B. Me-Oxide und -Sulfide) in Betracht. Damit ist die Ausbildung jedweder Art von elektrodenähnlichen Anordnungen (z.B. galvanische Zellen) gegeben, deren Wirkung entscheidend vom Material und von der Struktur (kristallin, amorph) abhängt (z.B. Misch-, Mikro- und Nanoelektroden) .

Bisher nicht systematisch untersucht sind die Eigenschaften von fest/flüssig Grenzschichten, bei denen beide Partner - also z.B. Salzlauge und Metall - mit Radionukliden kontaminiert sind. Wegen der starken kurzreichenden Strahlung werden im Realfall ASSE insbesondere Alphastrahler enthaltende Phasen zu beachten sein.

Unter der herrschenden ionisierenden Strahlung können an halbleitenden Kontaktschichten (z.B. Rost) stromliefernde Zellen (photoelektrischer Effekt) entstehen. Bei der Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten werden mit Sicherheit auch korrosionsfördernde Lokalelemente (Lochfraß) gebildet, durch die Korrosionsprodukte zum Beispiel in Form von Deckschichten und Gasen entstehen. Bekannt ist, dass in der Regel korrosive Prozesse durch ionisierende Strahlung verstärkt werden.

An Mehrphasengrenzen - z.B. Gas // Metall/Halbleiter // Elektrolyt - ist auch die Bildung von brennstoffzellenähnlichen Anordnungen möglich. Bekannt ist, dass die Oberflächenaktiviät an der Grenze zum Gas (z.B. Wasserstoff) wesentlich von der Morphologie, den Poreneffekten und den Strahlungsverhältnissen abhängt.

Da alle Elemente im Inventar vorhanden sind, ist sogar durch zufälligen Kontakt geeigneter Materialien und Radionukliden die Bildung stromliefernder Radionuklid-Batterien möglich.


Fazit

Eine Flutung des Atommülllagers sowohl als Stilllegungsoption wie als Notfallmaßnahme ist mit einem hohen Risiko verbunden. Durch den Kontakt des eingelagerten Inventars mit Salzlauge kommt es zu einer Vielzahl von chemischen und strahlenchemischen Reaktionen. Die Bildung von gefährlichen Gasen und kontaminierten Flüssigkeiten und eine Mobilisierung dieser Schadstoffe sind unvermeidbar. Ein Transport radioaktiven und persistenten chemotoxischen Materials bis in die Biosphäre kann nicht ausgeschlossen werden.

Mit der Flutung würde in ungeordneter Weise eine "nichtrückholbare Endlagerung" geschaffen. Eine Bergung oder eine Kontrolle des Atommülls wäre damit für alle Zeiten ausgeschlossen.@

 

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