Technical Report NTB 02-14

Die geologische Formation Opalinuston in der Nordschweiz wird derzeit auf ihre Eignung als Wirtgestein für ein Endlager von abgebrannten Brennelementen, verglasten hochaktiven Abfällen und langlebigen mittelaktiven Abfälle untersucht. Das schweizerische Konzept zur geologischen Endlagerung radioaktiver Abfälle beruht auf einem System mehrerer Barrieren. Im Nahfeld sind die Brennelemente und verglasten hochradioaktiven Abfälle in massiven Stahlbehältern gelagert, die wiederum von einer Barriere aus verdichtetem Bentonit umgeben sind. Andererseits sind die langlebigen mittelaktiven Abfälle, die in separate Stollen eingelagert werden, von Zementmaterialien umgeben. In der Geosphäre wird davon ausgegangen, dass das Wirtgestein eine wirksame Barriere für die Migration von Radionukliden darstellt. In diesem Bericht diskutieren wir die mögliche Rolle von Kolloiden beim Transport von Radionukliden durch Opalinuston (Geosphäre). Da nicht davon ausgegangen wird, dass Störungszonen im Opalinuston präferentielle Fliesspfade darstellen, beschränken wir die Diskussion auf den konvektiv-diffusiven Transport durch die Gesteinsmatrix.

Zahlreiche Studien deuten darauf hin, dass mobile kolloidale Partikel im porösen Untergrund als Träger für stark sorbierende Schadstoffe, wie z. B. viele Radionuklide, dienen können, und dadurch die Migration der Schadstoffe beschleunigen. Die Ziele dieser Studie sind (i) die Zusammensetzung möglicher Kolloide im Opalinuston zu bestimmen, (ii) ihre kolloidale Stabilität im Opalinuston unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Porenwassers zu beurteilen und (iii) die potentielle Mobilität von kolloidalen Partikeln im Opalinuston unter verschiedenen Annahmen betreffend der Fliessbedingungen und der Kolloid-Matrix-Interaktionen zu diskutieren.

Relevante Typen von Kolloiden im Opalinuston wurden von der Zusammensetzung des Gesteins und des Referenzporenwassers abgeleitet. Dazu gehören Tonmineralien, Quarz, Kalzit, Eisenoxide, und organische Substanzen. Eine Auswertung von publizierten Daten zur Oberflächenladung und kolloidalen Stabilität dieser Kolloidtypen deutet darauf hin, dass diese im Porenwasser des Opalinustons mit seiner hohen Ionenstärke (~ 0.1-0.3 M) und seinem neutralen bis basischen pH (~ 6.8-8.2) schnell aggregieren würden.

Basierend auf der Textur von Opalinuston und hydrologischen Parametern wurden einfache Diffusions-, Advektions- und Kolloidfiltrationsrechnungen durchgeführt. Kolloidale Mineralpartikel grösser als ~ 60 nm sind wahrscheinlich immobil, da sie aufgrund der Gravitation sedimentieren. Zudem begrenzt die mesoporöse Struktur des Opalinustones ihre Mobilität durch physikalische Filtration. Kolloidale Partikel kleiner als ~ 60 nm dürften durch Diffusion und Deposition an der immobilen Matrixoberfläche sehr effizient aus dem Porenwasser entfernt werden. Selbst Filtrationsrechnungen unter äusserst konservativen Annahmen ergeben für kolloidale Partikel maximale Transportdistanzen (99.99 % Partikelfiltrierung) von weniger als 1 m. Zusammenfassend wird die Mobilität von Kolloiden im Opalinuston als sehr gering eingeschätzt, aufgrund der folgenden Faktoren: (i) Hohe Ionenstärke des Porenwassers und daraus resultierende geringe kolloidale Stabilität dispergierter Partikel, (ii) mesoporöse Struktur des Opalinustones und infolgedessen physikalische Filtration von Kolloiden, (iii) extrem tiefe hydraulische Leitfähigkeit und Fliessgeschwindigkeit im Opalinuston, (iv) wesentlich langsamere Diffusion von Kolloiden als von gelösten Radionukliden.

Opalinuston enthält also verschiedene Typen von Partikeln, die potentiell Kolloide bilden können. Die kolloidale Stabilität und Mobilität dieser Partikel wird aber aufgrund chemischer und physikalischer Faktoren als sehr gering eingeschätzt. Daher ist ein beschleunigter Transport von Radionukliden durch mobile Kolloide im Opalinuston sehr unwahrscheinlich, solange kein präferentieller Wasserfluss in Störungszonen auftritt. Sollten weitere Studien zeigen, dass in Störungszonen ein wesentlicher Wasserfluss auftreten kann, so müsste die Rolle von Kolloiden in diesem Zusammenhang neu beurteilt werden. Weitere Forschungsarbeiten sind nötig, um die Zusammensetzung der organischen Substanzen im Opalinuston und ihren Einfluss auf die Migration von Radionukliden besser beurteilen zu können.