Technischer Bericht NTB 14-03

A. Überblick

Das Vorgehen zur Auswahl von Standorten für geologische Tiefenlager für alle Abfallkategorien in der Schweiz ist im Konzeptteil des Sachplans geologische Tiefenlager (BFE 2008) definiert. Das Verfahren sieht vor, in drei Etappen zur Wahl von Standorten für die benötigten geologischen Tiefenlager zu kommen. Das Sachplanverfahren mündet in der dritten Etappe für jeden Lagertyp (SMA- und HAA-Lager) in ein Rahmenbewilligungsverfahren, in welchem der Standort sowie das Lager in seinen Grundzügen festgelegt werden. In Etappe 1 hat die Nagra basierend auf Kriterien zur Sicherheit und technischen Machbarkeit geologische Standortgebiete vorgeschlagen. Mit dem Entscheid des Bundesrats vom 30. November 2011 wurden diese Vorschläge in den Sachplan geologische Tiefenlager aufgenommen.

Für die provisorischen Sicherheitsanalysen und den sicherheitstechnischen Vergleich der geologischen Standortgebiete in Etappe 2 hat das Eidgenössische Nuklearsicherheitsinspektorat ENSI Anforderungen festgelegt; unter anderem für die durchzuführenden Dosisberechnungen. In diesen Anforderungen definiert das ENSI ein "standardisiertes Parametervariationsverfahren", gemäss welchem pro Lagertyp und pro Standortgebiet jeweils eine Anzahl Dosisberechnungen (Referenzfall, alternative Fälle) durchzuführen sind. Aus den Ergebnissen sind anschliessend sogenannte charakteristische Dosisintervalle zu erstellen. Diese dienen der sicherheitstechnischen Beurteilung der Standortgebiete. Hierzu hat das ENSI Kriterien aufgestellt, um zu prüfen, ob ein Standortgebiet sicherheitstechnisch geeignet ist und ob die Standortgebiete sicherheitstechnisch gleichwertig sind.

Der vorliegende Bericht dokumentiert die von der Nagra durchgeführten Dosisberechnungen und die daraus abgeleiteten charakteristischen Dosisintervalle. Zusätzlich wird die Wirksamkeit der Barrierensysteme des SMA- und des HAA-Lagers in den verschiedenen Standortgebieten quantitativ bewertet und deren Langzeitentwicklung unter Berücksichtigung der lagerbedingten Einflüsse diskutiert. Die Resultate des vorliegenden Berichts bilden eine wichtige Grundlage für den übergeordneten Bericht "Sicherheitstechnischer Vergleich und Vorschlag der in Etappe 3 weiter zu untersuchenden geologischen Standortgebiete" (sogenannter Hauptbericht).

Um das Potenzial eines Standortgebiets möglichst gut zu nutzen, wird in den Standortgebieten für das SMA-Lager, in denen zwei Wirtgesteine vorkommen1, die Bewertung des Standortgebiets für das sogenannte prioritäre Wirtgestein des Standortgebiets vorgenommen. Dieses wird in einem ersten Schritt ermittelt, wobei die gleiche Methodik verwendet wird wie für die Einengung der geologischen Standortgebiete. In denjenigen Standortgebieten mit zwei verschiedenen Wirtgesteinen werden für jedes Wirtgestein separat die charakteristischen Dosisintervalle ermittelt und die Wirksamkeit der Barrierensysteme bewertet unter der Annahme, dass sich jeweils das gesamte Inventar in Lagerkammern ausschliesslich im betrachteten Wirtgestein befindet. Diese (Zwischen-) Resultate bilden eine wichtige Grundlage für den Hauptbericht.

In einem zweiten Schritt2 werden die charakteristischen Dosisintervalle ermittelt und die Wirksamkeit der Barrierensysteme für das SMA- und das HAA-Lager in den im Hauptbericht abgegrenzten Lagerperimetern in allen Standortgebieten bewertet, wobei in den Standortgebieten für das SMA-Lager, in denen zwei Wirtgesteine vorkommen, das prioritäre Wirtgestein betrachtet wird.

Die Dosisberechnungen zur Ermittlung der charakteristischen Dosisintervalle und zur Bewertung der Wirksamkeit der Barrierensysteme analysieren den Transport von im Porenwasser gelösten Radionukliden vom geologischen Tiefenlager durch das Wirtgestein und die Rahmengesteine, wobei konservativ angenommen wird, dass sie von dort direkt (d. h. ohne weitere Rückhaltung) in die Biosphäre gelangen. Separat durchgeführte Systemanalysen zeigen, dass mit einer geeigneten Lagerauslegung alle lagerbedingten Einflüsse auf die Sicherheitsbarrieren klein gehalten werden können; diese werden deshalb in den Dosisberechnungen nicht explizit berücksichtigt.

B. Analysen zur Ermittlung der prioritären Wirtgesteine für das SMALager

Charakteristische Dosisintervalle
Die Resultate der Dosisberechnungen – die wie vorgegeben vorwiegend pessimistische Varianten umfassen – zeigen, dass aufgrund der Dosisintervalle alle bisher betrachteten SMA-Wirtgesteine sicherheitstechnisch geeignet und sicherheitstechnisch gleichwertig sind. Trotzdem gibt es Unterschiede zwischen den Wirtgesteinen, die auch in den Dosisberechnungen sichtbar sind. Vergleicht man die Resultate für den 'Braunen Dogger' und für den Opalinuston in den Standortgebieten Zürich Nordost und Nördlich Lägern, fällt auf, dass der obere Rand der charakteristischen Dosisintervalle für den 'Braunen Dogger' deutlich höher liegt als derjenige für den Opalinuston; dies aufgrund der deutlich kürzeren Länge der Freisetzungspfade im Wirtgestein im Vergleich zum Opalinuston. Für das Standortgebiet Jura-Südfuss mit den Wirtgesteinen Effinger Schichten und Opalinuston liegt der obere Rand des charakteristischen Dosisintervalls bei den Effinger Schichten deutlich höher als beim Opalinuston; wiederum aufgrund der deutlich kürzeren Länge der Freisetzungspfade im Wirtgestein im Vergleich zum Opalinuston. In allen drei Standortgebieten, in denen zwei Wirtgesteine vorkommen, zeigt der Opalinuston also deutliche Vorteile im Quervergleich mit dem jeweils anderen Wirtgestein.

Bewertung der Wirksamkeit der Barrierensysteme
Dazu wird für jedes Wirtgestein in den SMA-Standortgebieten mit zwei Wirtgesteinen eine Illustration der Barrierenwirkung präsentiert und anschliessend die Barrierenwirkung anhand der Radionuklidflüsse zwischen den Komponenten des Barrierensystems quantifiziert. Der Vergleich der Resultate für die SMA-Wirtgesteine 'Brauner Dogger' und Opalinuston in den Standortgebieten Zürich Nordost und Nördlich Lägern zeigt, dass für beide Standortgebiete beide Wirtgesteine bezüglich Freisetzung aus dem Nahfeld eine praktisch identische Barrierenwirkung aufweisen; bezüglich Freisetzung aus den Rahmengesteinen fällt hingegen das Wirtgestein 'Brauner Dogger' im Vergleich zum Opalinuston deutlich ab. Für die SMA-Wirtgesteine Effinger Schichten und Opalinuston im Standortgebiet Jura-Südfuss ergibt sich ein analoges Bild. Bezüglich Freisetzung aus dem Nahfeld sind beide Wirtgesteine praktisch identisch; bezüglich Freisetzung aus den Rahmengesteinen fällt das Wirtgestein Effinger Schichten im Vergleich zum Opalinuston deutlich ab.

Die im Hauptbericht dokumentierten Ergebnisse des sicherheitstechnischen Vergleichs der Wirtgesteine bestätigen die Ergebnisse der Analysen im vorliegenden Bericht: Der Opalinuston ist in allen drei SMA-Standortgebieten mit zwei Wirtgesteinen das prioritäre Wirtgestein.

C. Analysen für die Standortgebiete für das SMA- und das HAA-Lager

Charakteristische Dosisintervalle
Die Resultate der Dosisberechnungen – die wie vorgegeben vorwiegend pessimistische Varianten umfassen – zeigen, dass aufgrund der Dosisintervalle alle Standortgebiete sicherheitstechnisch geeignet und sicherheitstechnisch gleichwertig sind. Trotzdem gibt es auch zwischen den Standortgebieten Unterschiede, die auch in den Dosisberechnungen bzw. in den oberen Rändern der charakteristischen Dosisintervalle sichtbar sind.

SMA-Standortgebiete: Für das Standortgebiet Südranden wird in der Referenzsituation angenommen, dass infolge der relativ geringen Tiefenlage des SMA-Lagers und der damit verbunden Möglichkeit der Gesteinsdekompaktion die oberen Rahmengesteine des Opalinustons nicht barrierenwirksam sind; dem entsprechend ist die Länge des in den Dosisberechnungen berücksichtigten Freisetzungspfads nach oben auf den Anteil im Opalinuston beschränkt. Nach unten ist die Länge des Freisetzungspfads bestimmt durch den Anteil im Opalinuston und im Tonigen Lias, mit einer angenommenen Freisetzung in die Biosphäre via Arietenkalk. Im Gegensatz dazu ist in den Standortgebieten Zürich Nordost und Nördlich Lägern die Länge des massgebenden (kürzesten) Freisetzungspfads grösser, da hier sowohl die oberen als auch die unteren Rahmengesteine barrierenwirksam sind. Im Standortgebiet Jura Ost ist in der Referenzsituation der massgebende (kürzeste) Freisetzungspfad nach oben gerichtet und die Freisetzung in die Biosphäre erfolgt entlang der Sandkalkabfolge direkt oberhalb des Opalinustons. Beim Freisetzungspfad nach unten ist die Länge des Freisetzungspfads bestimmt durch den Anteil im Opalinuston und im Tonigen Lias, mit einer angenommenen Freisetzung in die Biosphäre via Arietenkalk. Für das Standortgebiet Jura-Südfuss wird in der Referenzsituation angenommen, dass nur der Opalinuston barrierenwirksam ist und dass die Freisetzung in die Biosphäre entlang der Sandkalkabfolge direkt oberhalb des Opalinustons bzw. via Kalkiger Lias direkt unterhalb des Opalinustons erfolgt. Dies erklärt die Unterschiede in den oberen Rändern der charakteristischen Dosisintervalle für die Standortgebiete in der Nordschweiz (d. h. etwas höhere obere Ränder für die Standortgebiete Südranden, Jura Ost und Jura-Südfuss als für Zürich Nordost und Nördlich Lägern, wobei der Jura-Südfuss noch leicht abfällt). Für das Standortgebiet Wellenberg ist die Situation anders: Hier wird in der Referenzsituation von einer minimalen Transportpfadlänge im Wirtgestein von 100 m ausgegangen und der obere Rand des charakteristischen Dosisintervalls, welcher knapp unter 0.01 mSv/a liegt, wird vom Rechenfall mit erhöhtem Wasserfluss im Wirtgestein bestimmt. Wegen der zugehörigen (nicht reduzierbaren) Ungewissheiten ist der Wert für den erhöhten Wasserfluss hier deutlich höher als der entsprechende Wert im Opalinuston. Der Rechenfall zur Illustration der Auswirkungen der Erosion (Bildung einer Durchbruchsrinne) im Standortgebiet Südranden ergibt ein Dosismaximum, das unter dem oberen Rand des charakteristischen Dosisintervalls liegt.

HAA-Standortgebiete: In den Standortgebieten Zürich Nordost und Nördlich Lägern sind in der Referenzsituation sowohl die oberen als auch die unteren Rahmengesteine barrierenwirksam. Die Länge des massgebenden (kürzesten) Freisetzungspfads nach unten wird bestimmt durch die Anteile im Opalinuston und im Tonigen Lias, mit einer angenommenen Freisetzung in die Biosphäre via Arietenkalk. Im Standortgebiet Jura Ost wird in der Referenzsituation angenommen, dass der massgebende (kürzeste) Freisetzungspfad nach oben gerichtet ist und die Freisetzung in die Biosphäre entlang der Sandkalkabfolge direkt oberhalb des Opalinustons erfolgt. Beim Freisetzungspfad nach unten ist die Länge des Freisetzungspfads bestimmt durch den Anteil im Opalinuston und im Tonigen Lias, mit einer angenommenen Freisetzung in die Biosphäre via Arietenkalk. Dies erklärt die charakteristischen Dosisintervalle für die HAA-Standortgebiete: Für Zürich Nordost und Nördlich Lägern sind sie sehr ähnlich; für Jura Ost liegt das charakteristische Dosisintervall aufgrund des etwas kürzeren massgebenden Freisetzungspfads etwas höher. Die Rechenfälle zur Illustration der Auswirkungen der Erosion (Bildung einer Durchbruchsrinne) im Standortgebiet Jura Ost ergeben Dosismaxima, die deutlich unter (Basisfall) bzw. etwas über (ungünstigere Variante) dem oberen Rand des charakteristischen Dosisintervalls liegen. Auch das Dosismaximum der ungünstigeren Variante liegt deutlich unter 0.01 mSv/a.

Bewertung der Wirksamkeit der Barrierensysteme
Dazu wird je für das SMA- und das HAA-Lager für jedes Standortgebiet eine Illustration der Barrierenwirkung präsentiert und anschliessend die Barrierenwirkung anhand der Radionuklidflüsse zwischen den Komponenten des Barrierensystems quantifiziert, mit folgenden Ergebnissen:

SMA-Standortgebiete: Die Quantifizierung der Barrierenwirkung anhand der Radionuklid-flüsse zwischen den Komponenten des Barrierensystems ergibt folgendes Bild: Bezüglich Freisetzung aus dem Nahfeld hat das Standortgebiet Wellenberg gegenüber den Standortgebieten der Nordschweiz einen leichten Vorteil; bezüglich der für die Sicherheit relevanten Freisetzung aus der Geosphäre hat das Standortgebiet Wellenberg im Quervergleich mit den Standortgebieten der Nordschweiz hingegen einen klaren Nachteil. Die Begründung dafür liegt darin, dass im Standortgebiet Wellenberg (mit Wirtgestein Mergel) im Gegensatz zu den SMA-Standortgebieten der Nordschweiz (mit Wirtgestein Opalinuston) nicht ausgeschlossen werden kann, dass der Radionuklidtransport in der Geosphäre zusätzlich entlang von Störungen erfolgt, mit entsprechend geringerer Wirksamkeit der geologischen Barriere.

HAA-Standortgebiete: Alle drei HAA-Standortgebiete erweisen sich bzgl. Wirksamkeit der Barrierensysteme als praktisch gleich gut.

D. Hinweise auf wichtige standortspezifische geologische Informationen für Etappe 3 aus Sicht der Sicherheitsanalyse
Eine Analyse der Resultate für die beiden Lagertypen (SMA-Lager, HAA-Lager) in den gemäss dem Hauptbericht weiter zu verfolgenden Standortgebieten zeigt, dass die wichtigsten standortspezifischen geologischen Informationen für Etappe 3 die Geometrie und Qualität des Wirtgesteins und der Rahmengesteine betreffen (Mächtigkeit Wirtgestein bzw. Lage und Qualität der lithofaziellen Einheiten in den Rahmengesteinen mit Potenzial für stark erhöhte Wasserführung). Es wird erwartet, dass mit den für Etappe 3 geplanten Explorationsarbeiten (3D-Seismik, Bohrungen) diese Informationen ergänzt bzw. vertieft werden können, so dass die zugehörigen Ungewissheiten, wie sie im vorliegenden Bericht verwendet werden, noch weiter reduziert werden. Für die übrigen standortspezifischen geologischen Informationen, welche in der Sicherheitsanalyse direkt verwendet werden und welche bei den Dosisberechnungen eine wichtige Rolle spielen (hydraulische Parameter Wirtgestein, Mineralogie Wirtgestein etc.) wird nicht erwartet, dass mit weiteren Arbeiten in Etappe 3 eine merkbare Reduktion der entsprechenden Ungewissheiten erreicht werden kann; dies ist aber auch nicht notwendig, da die aktuell verwendeten Parameterwerte genügend genau bekannt sind. Trotzdem ist geplant, im Rahmen der Explorationsarbeiten für Etappe 3 zu diesen Themen Informationen standortspezifisch zu erheben. Die Kenntnisse zur Erosion bzw. zur glazialen Tiefenerosion in den weiter zu verfolgenden Standortgebieten werden ebenfalls vertieft.

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1 Es sind dies: Zürich Nordost ('Brauner Dogger', Opalinuston), Nördlich Lägern ('Brauner Dogger', Opalinuston), Jura-Südfuss (Effinger Schichten, Opalinuston).

2 Für die HAA-Standortgebiete ist nur dieser Schritt nötig, da für das HAA-Lager das Wirtgestein (Opalinuston) bereits in Etappe 1 festgelegt wurde. Ebenso ist für die SMA-Standortgebiete, in denen nur ein Wirtgestein vorkommt, nur dieser Schritt nötig.