Technical Report NTB 15-02

Das "Full-Scale Emplacement" (FE) Experiment im Felslabor Mont Terri simuliert Aspekte wie Bau, Abfalleinlagerung, Verfüllung und die frühphasige thermo-hydro-mechanische (THM) Ent­wicklung eines Lagerstollens für verbrauchte Brennelemente und hochaktive Abfälle (BE/HAA) in einer tonreichen Gesteinsformation (Opalinuston). Anstelle von BE/HAA-Endlagerbehältern werden jedoch Heizelemente verwendet. Die Umsetzung des Gesamt­experiments und die THM-Entwicklung nach der Einlagerung werden mit mehreren Hundert Sensoren überwacht. Diese sind im Fels, auf dem Spritzbeton, in der Verfüllung und im Betonverschluss sowie an der Oberfläche der Heizelemente verteilt.

Die Ziele des FE-Experiments sind:

• Die vollmassstäbliche Erforschung lagerbedingter THM-gekoppelter Einflüsse auf das Wirtgestein und die Validierung bestehender gekoppelter THM-Modelle.
• Die Bestätigung der technischen Machbarkeit, einen Lagerstollen mit bewährten Industrie­techniken zu bauen.
• Die Optimierung von Materialdesign und -produktion der Bentonitverfüllung, insbesondere die Produktion von Bentonit-Blöcken, die die Fähigkeit besitzen, den Umgebungs­bedingun­gen während der Einlagerungs- und Betriebsphasen standzuhalten.
• Die Untersuchung der (horizontalen) Einlagerungsvorgänge für Behälter und Verfüllung unter untertägigen Bedingungen.

Das Design des FE-Experiments beruht auf der Nachbildung der Auslegung der Lagerstollen im Massstab 1:1. Der FE-Stollen hat einen inneren Durchmesser von ca. 3 m sowie eine Länge von 50 m und ist in vier Zonen unterteilt. Im Haupttestbereich des Experiments wurden drei Heizelemente, deren Dimensionen die der BE/HAA-Endlagerbehälter entsprechen, auf Bentonit­auflagern eingelagert. Der verbleibende Raum wurde mit hoch verdichtetem Bentonit-Granulat verfüllt. In dieser Zone wird das Gestein von armiertem Spritzbeton mit reduziertem pH-Wert abgestützt. Am Ende des FE-Stollens befindet sich der Zwischensiegelbereich (ZwiSi), der aus einer Betonwand, einer 2 m langen Bentonit-Blockwand aus manuell installierten Bentonit-Blöcken und einem mit Bentonit-Granulat verfüllten Bereich besteht. Ein Beton­verschluss-Bereich und ein Zugangsbereich sind die zwei Bereiche, die sich am nächsten zur FE-Kaverne befinden, die während des Experiments als Eingang zum FE-Stollen dient und die Überwachungs­systeme zur Datenakquisition beherbergt.

Bei der Herstellung des Bentonit-Granulats wurden die Materialbehandlung, Pelletierung, Vermahlung und Vermischung systematisch untersucht und optimiert, um die Eigenschaften zu erhalten, die alle Anforderungen erfüllen. Der Widerstand der Bentonit-Blöcke gegenüber ver­schiedener Klimabedingungen im Stollen wurde mit der Optimierung der Produktionsparameter verbessert.

Erfahrungen aus vorangegangen Experimenten führten zum Entwurf des Prototyps einer Verfüll­maschine mit fünf Schneckenförderern, die eine möglichst dichte und homogene horizontale Verfüllung mit Bentonit-Granulat ermöglicht. Nach ihrer Konstruktion wurde die Maschine intensiv getestet. Die minimale Trockendichte von 1,45 g/cm3, wie sie für die Bentonit­verfüllung im Schweizer Tiefenlagerkonzept angestrebt wird, wurde ohne Ausfälle oder Zwi­schen­fälle übertroffen. Die Optimierung, Industrialisierung und Automatisierung dieser Prozesse kann in den Jahrzehnten bis zum Beginn des Lagerbetriebs realisiert werden.

Die Heizelemente wurden zwischen Dezember 2014 und Februar 2015 eingeschaltet und sollen während der ersten Heizjahre jeweils eine konstante Wärmeleistung von 1’350 Watt haben. Anschliessend ist vorgesehen, die Leistung gemäss der für BE typischen Zerfallsrate zu redu­zieren.

Um die Auswirkungen dieses massstabsgetreuen Wärmeeintrags auf die Verfüllung und das Wirtgestein zu überwachen, wurden Sensoren in und um den FE-Stollen installiert. Diese Sen­soren messen verschiedene Parameter wie z. B. Temperatur, Druck, Deformation, Feuchtigkeit/ Wassergehalt und Gaszusammensetzung. Nach 18 Monaten Heizbetrieb betragen die Tempe­ra­turen an der Oberfläche der Heizelemente ca. 117-132 °C und an der Oberfläche des Gesteins ca. 45-70 °C. Nach Ende der fortlaufenden Heizperiode werden an der Oberfläche des mittleren Heizelements Temperaturen von ca. 130-150 °C erwartet und an der Grenzfläche zum Gestein ca. 60-80 °C.

Generell entsprechen die THM-Effekte, die während der ersten 18 Monate der Heizphase beobachtet wurden, den auf den Erfahrungen vorangegangener Heizexperimente basierenden Erwartungen sowie den Vorhersageberechnungen, die bereits vor dem FE-Experiment gemacht wurden.

Das FE-Experiment ist ein wichtiger Schritt in der Auslegung eines BE/HAA-Endlagers in der Schweiz. Die Ergebnisse können beispielsweise die Auslegung der Einlagerungsstollen und das Beladen der Behälter beeinflussen.

Dieser Bericht umfasst die Auslegung, bautechnische Umsetzung und die ersten 18 Monate des Heizbetriebs des FE-Experiments. Während dieses Zeitraums wurde bedeutender Fortschritt hinsichtlich der Gesamtziele des Experiments gemacht:

• Hinsichtlich des Ziels «BE/HAA-lagerbedingte THM-gekoppelte Einflüsse auf das Wirt­gestein massstabsgetreu zu untersuchen und bereits vorhandene gekoppelte THM-Modelle zu validieren» haben die ersten 18 Monate des Heizbetriebs dazu beigetragen, das Verständnis des frühen Verhaltens der technischen Barrieren nach Einlagerung und der Aufsättigung des Gesteins im Nahfeld zu verbessern. Die Messinstrumente laufen erfolgreich und liefern detaillierte Informationen über die THM-Reaktion des Systems auf den Wärmeeintrag. 3D-Modelle wurden erarbeitet, um die Entwicklung des Wirtgesteins und der technischen Barrieren darzustellen. Diese Modellierung umfasst auch Kalibrierung und Validierung mittels Messdaten.
• Für die Erreichung des Ziels "Überprüfung der technischen Machbarkeit, einen Lagerstollen mit bewährten Industrietechniken zu bauen" wurden der Stollen gebaut und der Stollenausbau in Übereinstimmung mit den bautechnischen Anforderungen an die langfristige Funktions­fähigkeit des Lagersystems installiert. Diese Anforderungen umfassen Stollendimensionen, Installationsrate des Stollenausbaus und die Zusammensetzung der Materialien (z. B. Spritz­beton) sowie die Anforderung, dass während des gesamten Vortriebsverfahrens kein Wasser verwendet werden soll. Somit wurde im Felslabor Mont Terri die Überprüfung der techni­schen Machbarkeit der Konstruktion eines Lagerstollens in einem überkonsolidierten Ton­gestein mit bewährten Industrietechniken erfolgreich nachgewiesen.
• Für die Erreichung des Ziels «Optimierung von Materialdesign und -produktion der Bentonit­verfüllung, insbesondere für die Produktion von Bentonit-Blöcken, die die Fähigkeit besitzen, den Umgebungsbedingungen während der Einlagerungs- und Betriebsphasen standzuhalten» wurden an Bentonit-Blöcken und Bentonit-Granulatproduktion detaillierte Untersuchungen durchgeführt und Produktionsparameter festgelegt. Die Auswirkungen des Wassergehalts des Bentonits und die relative Feuchtigkeit im Tunnel wurden bestimmt. Die damit verbundenen Parameterbereiche sind festgelegt worden, um sicherzustellen, dass die Bentonitauflager während der Einlagerung und der Verfüllung der Lagerstollen die geforderten Standards erfüllen. Die Produktionsparameter für Bentonit-Granulat, inkl. Wassergehalt, Kompaktie­rungs­verfahren und Korngrössenverteilung, sind festgelegt worden.

• Hinsichtlich des Ziels "Untersuchung der (horizontalen) Einlagerungsvorgänge für Behälter und Verfüllung unter untertägigen Bedingungen" haben sich die Arbeiten auf die horizontale Einlagerung des Bentonit-Granulats konzentriert. Ein Prototyp einer Verfüllmaschine, die Bentonit-Granulat in der erforderlichen Dichte einbringt, wurde entworfen, geprüft und ein­gesetzt. Eine anhaltende Überwachung der THM-Effekte im Rahmen des FE-Experi­mentes wird weitere Einblicke in den Einfluss der Heterogenität der Verfüllung auf deren Leistung gewähren.