Poster zum HPF-Experiment

Der abschliessende Tracertest für HPF
Der abschliessende HPF-Tracertest hat Anfang 2004 stattgefunden. Für diesen Test wurde eine Reihe von sicherheitsrelevanten Radionukliden in das Fliessfeld injiziert. Für einige dieser Radionuklide wird davon ausgegangen,
dass sie stark vom Gestein retardiert werden und eine sehr lange Zeit für ihren Transport durch das Fliessfeld
benötigen.
Zum besseren Verständnis der durch die Zementwässer hervorgerufenen Veränderungen wird geplant, das
Gesteinsmaterial der Scherzone mit einem speziellen Harz zu imprägnieren, um es für eine Überbohrung mit
einer Grossbohrlochmaschine (Kerndurchmesser 38 cm) zu stabilisieren.
Die Bohrkerne werden anschliessend sorgfältig in kleinere Kernprobenabschnitte unterteilt, die dann mithilfe
einer sehr genauen Radiographie analysiert werden. Mit dieser Technik kann «sichtbar» gemacht werden, in
welchen Gesteinsbereichen die Radionuklide am stärksten retardiert werden.
FELSLABOR GRIMSEL
Hoch-pH-Fahne in geklüftetem Gestein (HPF Experiment)
Überblick HPF
Das Experiment zur Hoch-pH-Fahne in geklüftetem Gestein (HPF) untersucht die Auswirkung der Freisetzung von Zementwässern
mit hohem pH-Wert aus einem Tiefenlager für radioaktive Abfälle auf die hydrochemischen Bedingungen und die Retardation
(Rückhaltung) von Radionukliden im umgebenden Wirtgestein.
KWO
km 1.750
CRR
Zur weiteren Analyse werden die Kernproben dann in verschiedene Labors weltweit verschickt. Radiochemische
Analysen und die Bestimmung von Sekundärmineralien, die sich während der zweijährigen Zirkulation der HochpH-Lösung gebildet haben, stehen dabei im Vordergrund.
Diese Techniken sind vergleichbar mit denjenigen, die bereits während des RRP (Radionuklid-Retardationsprojekt) im FLG zur Anwendung kamen. Die nachstehenden Bilder zeigen zum einen die Grossbohrlochmaschine
und zum anderen eine Mikroskopaufnahme einer Scherzone unter UV-Licht, die mit einem fluoreszierenden Harz
imprägniert wurde. Die hellen Bereiche sind potenzielle Fliesswege und offene Poren, die dunklen Bereiche
verdeutlichen die undurchlässigen Gesteinsbruchstücke bzw. Mineralien.
HPF
km 1.500
GAM
Versuchsstandort
im FLG
llen
ssto
ang
ug
O-Z
GMT
KW
km 1.020
el
Labortunn
EFP
FEBEX Projekt
Massstab
1 mm
Wodurch entsteht
eine Hoch-pH-Fahne?
Künftige Zementstudien im FLG
Neue Zementexperimente werden im Rahmen der nächsten Arbeitsphase im FLG vorgeschlagen. Diese Studie wird das Verhalten
mit Zement verfüllter Tiefenlager über Zeiträume von einigen Dekaden untersuchen und dabei auf die Erfolge und Erfahrungen aus
dem HPF-Experiment aufbauen. Eine solche Studie ist für die Sicherheitsanalyse eines Tiefenlagers direkt relevant. Parallel sind
Untersuchungen mit niedrig alkalinen Zementwässern (pH 10 –11) und deren Wechselwirkungen mit dem Wirtgestein geplant.
Bei schwach- und mittelaktiven radioaktiven Abfällen sowie bei vielen
chemotoxischen Abfällen sehen die meisten der gegenwärtigen Lagerkonzepte die Verwendung grosser Zementmengen zur Verfestigung der
Abfälle und Verfüllung des Lagers vor. Anhand von Analogstudien aus der
Natur (z.B. natürliche Zemente in Jordanien) und Laboruntersuchungen
ist bekannt, dass bei der Auslaugung von Zement und Beton Lösungen
entstehen, die anfangs hochkonzentriert an NaOH und KOH (pH > 13)
und später an Ca(OH)2 (pH ≥ 10) sind. Diese Zementwässer mit hohem
pH-Wert können lokal das Grundwasserfliesssystem sowie die Retardationseigenschaften des Wirtgesteins verändern. Solche Änderungen
können sich sowohl positiv auswirken – beispielsweise können Klüfte/
Fliesswege durch Abbauprodukte (z.B. Ausfällung von Sekundärmineralien) blockiert werden – als auch negativ, wenn sich inerte
Kluftbeläge entwickeln, die den Zugang zur Gesteinsmatrix behindern.
Auswirkungen von künstlich
eingebrachten Zementen in einem
Tiefenlager
A
pH 8
Hoch-pHFahne
Tiefenlager
A = Grundwasser im
Wirtgestein
B = Wechselwirkung
Grundwasser/Zement
C = Wechselwirkung
pH-Fahne/Gestein
B
pH < 13.5 C
Wirtgestein geringer
Durchlässigkeit
Natürliche Zementvorkommen
in Maqarin (Jordanien)
A
pH 7.5
Zementzone
B
pH 12.7–12.9
A = Grundwasser
B = Wechselwirkung
Grundwasser/
Zementmineralien
C = Wechselwirkung
pH-Fahne/Gestein
C
Gesteine
hoher Durchlässigkeit
Fluss Yarmouk
pH 12.5 –12.7
C
Hoch-pH-Fahne
Nähere Details finden Sie auf unserer Website: www.grimsel.com
HPF-PARTNERORGANISATIONEN
Nagra, Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle, Hardstrasse 73, CH 5430 Wettingen, Schweiz.
Tel. +41 56 437 11 11 Fax: +41 56 437 12 96 Email: [email protected] Internet: www.nagra.ch
Die HPF-Partnerorganisationen trugen weltweit zum In-situ-Versuch mit umfassenden Laborstudien und Computermodellierungen bei.
Partnerorganisationen: Nagra (CH), ANDRA (FR), JNC (JP), SKB (SE).
Bisherige Versuchsergebnisse
In-situ-Feldexperiment im FLG
Das HPF In-situ-Experiment dauert immer noch an, und es sind zwei weitere Injektionen mit Radionukliden geplant. Die bislang
erhaltenen Daten zeigen aber schon jetzt sehr deutlich eine Veränderung der hydraulischen und chemischen Bedingungen im
Wirtgestein durch die Injektion der Hoch-pH-Lösung.
Das HPF-Experiment wurde aufgrund des Einsatzes
von Radionukliden in der kontrollierten Zone im FLG
durchgeführt. Von März 2001 bis März 2004 wurde
in eine Scherzone eine Lösung mit hohem pH-Wert in
das Grundwasser injiziert.
Druckmessungen im Injektions- und Extraktionsbohrloch
Vor dem Start der Injektion der Hoch-pH-Lösung wurde
das Testfeld mit einer Reihe von Dipol-Tracertests
hydraulisch charakterisiert. Während der Hoch-pHInjektion erfolgten zudem periodische Tracertests mit
Radionukliden, um die graduellen Änderungen der
hydraulischen Bedingungen zu überwachen.
HPF
HPF
HPF
HPF
750
Injektionsintervall
650
Druck [kPa, absolut]
Bohrungen
Drei Jahre lang wurde eine HochpH-Lösung injiziert mit konstanter
Fliessrate von ~ 1 ml min-1 (Bohrung
BOHPF03-I2). Nach einer kurzen,
stabilen Anfangsphase erhöhte sich
der Injektionsdruck kontinuierlich.
Diese Erhöhung des Injektionsdrucks
lässt sich auf Sekundärmineralausfällungen infolge von Reaktionen
zwischen den Zementwässern und
dem Gestein zurückführen, welche
offensichtlich Klüfte bzw. Fliesswege
blockieren.
850
Beginn Injektion
der Hoch-pH-Lösung
Beginn
Dipolinjektion
550
450
run#1 run#2 run#3 run#4
run#5
run#7
run#6
run#11
350
250
run#10
150
Scherzone
hinter Plastikfolie
Tank für
Tracerinjektionen
Die Radionuklide wurden mit einem Gamma-Spektrometer
entsprechend dem neuesten Stand der Technik gemessen.
Das Spektrometer befand sich in einer klimatisierten Box,
um optimale Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Sämtliche Radionuklidinjektionen erfolgen entsprechend
den Auflagen der Schweizerischen Strahlenschutzverordnung.
Chemische und physikalische Parameter (pH, Eh, elektrische Leitfähigkeit, Druck und Temperatur) wurden
auf der Injektions- und Extraktionsseite des Fliessfelds gemessen. Mit
speziellen Bohrlochmesssystemen
wurden die hydraulischen Bedingungen in der Scherzone überwacht.
Die Systeme ermöglichten zudem
periodische Injektionen von Radionukliden in die Scherzone.
Steuerung
Gamma-Spektrometer
Extraktionsintervall
50
März '00
Oktober '00
April '01
run#8
November '01
BOHPF01-I2
BOHPF03-I2
Mai '02
6.E-04
5.E-04
4.E-04
3.E-04
2.E-04
1.E-04
1.E-07
0
5
10
15
Klimabox mit dem
Gamma-Spektrometer
Elektrische Kühlung
für das
Gamma-Spektrometer
Aufgrund der sehr starken korrosiven Eigenschaften der Hoch-pH-Lösung ist die Durchführung eines solchen Langzeitexperiments eine grosse
technische Herausforderung. Ausserdem kann es wegen der geringen Fliessraten (~ 1 ml min-1) zu Verstopfungen auf der Extraktionsseite
kommen, die zusätzliche Probleme verursachen.
Juni '03
7.E-04
Zeit [h]
Drucksensoren
der Bohrungen
Dezember '02
Tracertests (run #...)
Durchbruchskurven für den Uranin-Farbstoff
Gleichzeitig kann man Änderungen
im Durchbruchsverhalten von Tracern beobachten, wenn die kleinen
Fliesswege blockiert werden. Dies
bewirkt eine Fokussierung des
Flusses auf die grösseren, weiterhin
offenen Fliesswege mit dem
Resultat, dass die injizierten Tracer
schneller am Extraktionsbohrloch
(Durchbruch) ankommen.
Normalisierte Konzentration C/Mo [1/ml]
Messboxen
(Injektion und Extraktion)
für die chemischen
und physikalischen
Parameter
Erste Schlussfolgerungen
Die oben dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Hoch-pH-Fahne die Bedingungen und die Entwicklung
eines Tiefenlagers mit der Zeit beeinflussen kann. Änderungen der Grundwasserfliesswege in und um die
Testzone sind offensichtlich.
20
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