Technical Report NTB 05-03

In Finnland wird geplant, hochradioaktive Abfälle in einem geologischen Tiefenlager in einem kristallinen Wirtgestein zu entsorgen. Die Rolle der Geosphäre als natürliche Barriere in der Sicherheitsanalyse des Lagers ist gut etabliert. Es bestehen aber noch Unsicherheiten bei der Festlegung der Transportpfade sowie bei der Charakterisierung des Porenraums im Kristallingestein. Heutige Sicherheitsanalysen gehen von Labor- und Felduntersuchungen an der Erdoberfläche aus, um die Gegebenheiten auf Lagerniveau zu beschreiben. Über die Veränderungen der Transporteigenschaften des Gesteins infolge der Probenahme und der damit verbundenen Druckentlastung ist relativ wenig bekannt. Jüngste Untersuchungen mit Harzimprägnierung der Gesteinsmatrix im Felslabor Grimsel deuten darauf hin, dass nichtkonservative Fehler in den aus Labordaten berechneten Transporteigenschaften einen Faktor von zwei bis drei erreichen könnten.

Weil die Porenraumcharakterisierung für die in der Sicherheitsanalyse durchgeführten Berechnungen von grosser Bedeutung sein könnte, wurde entschieden, die Eigenschaften der Gesteinsmatrix mit einem MMA-Harz (Methylmethacrylat) markiert mit ¹⁴C in situ zu untersuchen. Während des letzten Jahrzehnts wurde die PMMA-Methode (Poly-Methylmethacrylat) für die Charakterisierung der Porosität von granitischen Gesteinen mit geringer Durchlässigkeit im Labor entwickelt. Eine Imprägnierung mit Methylmethacrylat markiert mit ¹⁴C (¹⁴C-MMA) zusammen mit Autoradiographie erlaubt die Ermittlung der räumlichen Verteilung der zugänglichen Porosität auf Zentimeterskala. Quantitative Messungen von der Gesamtporosität oder von mineralspezifischen lokalen Porositäten wurden mit Bildanalysemethoden durchgeführt. Elektronmikroscopie-Untersuchungen und Quecksilberporosimetrie-Messungen haben detaillierte Information über Poren- und Kluftöffnungsweiten geliefert.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer in situ Anwendung der PMMA-Imprägnierungsmethode. Die Veränderungen der Gesteinsporosität infolge von Druckentlastung beim Überbohren von Proben für Laborstudien wurden untersucht. Das Versuchskonzept ist wie folgt: aus einem zentralen Bohrloch in einer Tiefe von ca. 1 Meter hinter der Stollenwand wird ¹⁴C-MMA in ein Intervall von 20 cm Länge injiziert. Sechs radiale Bohrlöcher mit kleineren Durchmessern erlauben eine erhöhte Austrocknung der Gesteinsmatrix und das Eindringen von MMA während der Harzinjektion wird in Beobachtungsbohrlöchern registriert. Die Hauptunterschiede zwischen PMMA-Imprägnierung in situ und im Labor sind wie folgt: 1) die Austrocknung in situ erfolgte durch Zirkulation von Warmluft, während die Proben im Labor durch Erwärmung in einem Vakuum getrocknet wurden; 2) in situ Polymerisation wurde durch Autopolymerisation und im Labor durch Bestrahlung der Proben erreicht.

Bei der in situ Imprägnierung mit ¹⁴C-MMA zeigte sich, dass die Luftzirkulation um das Injektionsloch nicht ausreichend war, um die Gesteinsmatrix auszutrocknen. Die in situ Penetration von ¹⁴C-MMA in den Grimselgranodiorit war aber erfolgreich. Durch die Autopolymerisation des Harzes wurde das Ausmass der Imprägnierung reduziert, die thermische Polymerisation war dagegen erfolgreich. Das MMA konnte bis zu einer Tiefe von 2 bis 5 cm vom Injektionsloch eindringen, mit einer maximalen Eindringung entlang der Schieferung. Es wurde eine deutliche Abnahme von PMMA vom Injektionsloch bis zu einer Tiefe von 5 cm in der Gesteinsmatrix beobachtet.