Auswirkungen von Subrosion auf die Barrierewirkung des ewG und des Deckgebirges eines potenziellen Endlagerstandorts für hochradioaktive Abfälle

Abstract

Die im Rahmen des Standortauswahlverfahrens für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle nach dem Standortauswahlgesetz (StandAG 2023) durchzuführenden vergleichenden Analysen schließen die Bewertung des sicheren Einschlusses der Radionuklide im Endlagersystem über den Bewertungszeitraum von einer Million Jahre ein. Dabei muss für die zu erwartenden Entwicklungen sichergestellt werden, dass der einschlusswirksame Gebirgsbereich (ewG) seine Barrierefunktion über den Bewertungszeitraum von einer Million Jahren beibehält. Prozesse, die die Barriereeigenschaften negativ beeinflussen und z. B. zu einer Schädigung des ewG oder des Deckgebirges führen können, sind unter anderem Subrosionsprozesse. Der vorliegende Bericht stellt zunächst allgemeine Informationen über den Subrosionsprozess zusammen. Relevante Faktoren und Prozesse wurden zusammengetragen, die den Subrosionsprozess beeinflussen und die Zusammenstellung von Wirkungsabhängigkeiten erlauben. Für die systematischen Zusammenstellung der von Subrosion betroffenen Gebiete sowie diesen Prozess beeinflussende Faktoren und Randbedingungen wurde eine interaktive Webanwendung mit Datenbank erstellt. In dieser sind die stratigraphischen Einheiten, in denen Subrosionsvorgänge verbreitet auftreten, nach regionalgeologischer Verbreitung zusammengestellt. Es wurden 95 Literaturstellen in die Webanwendung aufgenommen. Die dafür gesichtete und verwendete Literatur ist in einem Citavi-Projekt hinterlegt. Die Webanwendung enthält 78 Einträge zu geographischen Lagen beobachteter Subrosionserscheinungen und 270 Einträge zur Subrosion. Mit Hilfe der Webanwendung können die Einträge nach verschiedenen Kriterien gefiltert werden, z. B. nach der von der Subrosion betroffenen stratigraphischen Einheit, der beobachteten Teufe der Subrosion oder nach den Angaben zur Tektonik und Genese. Auf diese Weise können die Prozesse, Faktoren und ihre Zusammenhänge sowie mögliche Einflüsse auf die im Standortauswahlverfahren festgelegten Teilgebiete identifiziert werden. Als Vorarbeit für eine Einschätzung der Subrosionsrate über den Bewertungszeitraum wurden Klimaszenarien hergeleitet. Dafür wurden die für Nordeuropa zur Verfügung stehenden Klimaszenarien gegenübergestellt. Auf der Grundlage klimaabhängiger Prozessketten wurden im Anschluss auf rein qualitativem Wege die zukünftige Entwicklung der Subrosion und seine Folgen auf die Barrierewirksamkeit von Deckgebirge und Wirtsgestein über den Bewertungszeitraum eingeschätzt. Quantitative Aussagen zu Subrosionsraten für stratiforme und steile Salzformationen unter den zuvor erarbeiteten Klimaänderungen wurden durch Modellrechnungen ermöglicht. Mögliche Risiken auf die Barrierewirksamkeit von Deckgebirge und Wirtsgestein wurden im Anschluss diskutiert. Es zeigte sich, dass der Subrosionsprozess im Wesentlichen von den Faktoren Grundwasserchemie und Temperatur im Kontaktbereich des Salzes abhängt. Daneben ist die Zusammensetzung des Steinsalzes entscheidend für die Ausbildung von Bereichen, die besonders anfällig für Subrosion sind. Die Geometrie der Salzformation und deren Relief führt zu einer räumlich differenzierten und unterschiedlich hohen Subrosion. Das Risiko einer Subrosion des Wirtsgesteins ist damit in hohem Maße an den Klimazustand gekoppelt, weil dieses die Grundwasserchemie in den Deckschichten vorgibt (insbesondere durch den Anfall von Schmelzwasser) und ggf. Bedingungen schafft, die zu einer Be- und anschließenden Entlastung des Deckgebirges führt und diese in ihrer Integrität beeinträchtigen kann. Je nach Ausprägung der Deckschichten, insbesondere derjenigen in direktem Kontakt zum Salzgestein, und ihrer Veränderung im Verlauf der zu erwartenden Klimata, fällt die Subrosion unterschiedlich hoch aus. Für das Deckgebirge, aber auch für das Wirtsgestein Steinsalz bestehen daher nicht nur während der subrosionsintensiven Klimazustände der Kaltzeiten Risiken in Bezug auf die Barrierewirkung, sondern auch im Anschluss an diese. Das Ausmaß möglicher zukünftiger Subrosionsprozesse lässt sich nur mit entsprechender Standortdaten und auf der Grundlage von Annahmen für die einflussnehmenden Randbedingungen in den zu erwartenden Klimazuständen abschätzen. Daher wurden im Rahmen des Vorhabens Modellrechnungen zur Grundwasserströmung unter Betrachtung der Dichteströmung und der Auswirkungen von Klimaveränderungen für das Wirtsgestein Steinsalz durchgeführt. Es erfolgten Modellrechnungen für Salzformationen in stratiformer und steiler Lagerung. Die Subrosionsraten variieren im Modell mit stratiformer Lagerung zwischen Werten von 0,04 und 2,65 mm a-1 für alle Klimazustände und Zonen. Es ergibt sich ein Einfluss der Subrosion bis in Tiefen von 123 m bis zu 588 m für verschiedene zugrunde gelegte Klimaszenarien. Im Modell mit dem Wirtsgestein Steinsalz in steiler Lagerung wurden über alle Klimazustände und Zonen stark variable Subrosionsraten errechnet. Die Ungewissheiten aufgrund von fehlenden Informationen zu Prozessen entlang der Grenzfläche zwischen Salz und anstehendem Gestein lassen den Schluss zu, dass es zu einer deutlichen Überschätzung der Subrosionsraten im Modell für Steinsalz in steiler Lagerung kommt, die in dieser Form nicht für den Bewertungszeitraum angenommen werden können. Es wurde daher von einer Berechnung der Subrosionsmächtigkeiten für die Klimaszenarien für dieses Modell abgesehen. Da es sich um generische Modelle ohne direkten Standortbezug handelt, gibt es keine Messwerte zur Permeabilität, den hydraulischen Randbedingungen und der Salzverteilung. Die Ergebnisse sind demnach nicht ohne Weiteres auf andere Gebiete übertragbar und sollten nur als erste Erkenntnisse im Bereich der numerischen Modellierung mit Bezug zur Subrosion betrachtet werden. Mit veränderten Modelleigenschaften können sich andere Subrosionsraten ergeben. Mit zukünftigen Variationsrechnungen könnten die vorhandenen Ungewissheiten reduziert werden. Die zukünftigen Klimaszenarien werden immer mit Ungewissheiten behaftet sein. Aus diesem Grund wurden in diesem Vorhaben mehrere Klimaszenarien zur Berechnung der Subrosionsmächtigkeiten herangezogen. Bei zukünftigen Arbeiten sollte der Fokus auf die kleinskaligeren Prozesse entlang derGrenzfläche von Salz und dem anstehenden Gestein und dem regionalen Strömungsfeldern um Salzstrukturen gelegt werden, da die Modellergebnisse in diesem Bereich große Ungewissheiten aufgezeigt haben. Im Rahmen des Vorhabens wurden weitreichende Erkenntnisse in Bezug auf Subrosionsprozesse und ihre möglichen negativen Einflüsse auf die Barriereeigenschaften eines ewG und des Deckgebirges eines potenziellen Endlagerstandorts für hochradioaktive Abfälle gewonnen. Durch die Webanwendung mit der Zusammenstellung von Subrosionserscheinungen und ihrer geographischen Verteilung in Deutschland stehen nun Informationen aus der Literatur gebündelt zur Verfügung. Durch eine qualitative Bewertung der Subrosionsprozesse über den Bewertungszeitraum wurden die Risiken verschiedener möglicher Klimaszenarien über den Bewertungszeitraum in Deutschland analysiert. Die quantitative Bewertung mittels numerischer Grundwassermodelle unterstützt die vorangegangene qualitative Analyse mit Modellergebnissen. Während der Arbeiten wurden offene Forschungsfragen und mit Ungewissheiten behaftete Prozesse identifiziert.