Die Maschine, die radioaktiven Abfall sichert

Sie ist zwölf Meter lang, hat fünf Arme und ist ihrer Zeit voraus - die Verfüllungsmaschine: In einem Grossexperiment im Massstab 1:1 simuliert die Nagra Verhältnisse in einem Tiefenlager.

So könnten die Stollen des Tiefenlagers mit dem Füllstoff Bentonit gesichert werden: Prototyp einer Verfüllungsmaschine.

So könnten die Stollen des Tiefenlagers mit dem Füllstoff Bentonit gesichert werden: Prototyp einer Verfüllungsmaschine. Bild: TA-Grafik/ Quelle: Nagra

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Diese Maschine ist der Zeit weit voraus. Gefragt ist sie erst in gut 50 Jahren. Wenn im Opalinuston der Nordschweiz das Tiefenlager für radioaktive Abfälle gebaut wird. Die Fachleute sprechen von Verfüllmaschine. Sie ist ein Ungetüm mit fünf langen Armen und hat eine Schlüssel­aufgabe, um das Entsorgungskonzept der Nagra dereinst zu realisieren: Sie soll die Stollen im Tiefenlager, im dem die Behälter mit hochaktiven Abfällen und verbrauchten Brennelementen gelagert werden, mit dem Tongranulat Bentonit füllen und dicht abschliessen. Die Nagra möchte den Nachweis dafür noch in diesem Jahr erbringen – im Felslabor Mont Terri nahe Dels­berg, das von der Swisstopo geleitet wird. Dort führt sie zusammen mit internationalen Partnern ein Grossexperiment im Massstab 1:1 zum Bau, den Einlagerungsprozessen und zum Betrieb eines Lagerstollens für hochaktive Abfälle durch. Im Herbst wird die Einlagerung getestet. Dabei kommt ein Prototyp der Verfüllmaschine zum Einsatz, den die Schweizer Firma Rowa für die Nagra während Jahren entwickelt hat. Das Unternehmen ist spezialisiert auf Logistiksysteme im Untertagebau.

Etwa 7300 Kubikmeter hochaktive Abfälle – vorausgesetzt die Atomkraftwerke sind etwa 50 Jahre in Betrieb – sollen laut Entsorgungskonzept in 50 Jahren in den vorgesehenen Lagerstollen deponiert werden. Die Behälter sind vermutlich aus Stahl oder Kupfer. Sie sind die erste technische Barriere, um das radioaktive Material sicher einzuschliessen. Die zweite Schranke ist die Bentonitfüllung, in die jeder einzelne Behälter im Stollen eingebettet sein wird. Der Fels ist schliesslich die dritte – natürliche – Sicherheitsbarriere.

Kein Hightech gefragt

Im Mont Terri ist alles für das Grossexperiment bereit. Der 50 Meter lange Versuchsstollen ist gebaut. Noch steht die Verfüllmaschine allerdings in einer Werkhalle in Roveredo im Tessin. Die Spannung an jenem Montag Mitte Mai ist gross. Die Firma präsentiert Experten der Nagra und aus dem Ausland erstmals das Gerät. «Das ist keine simple Operation», sagt Herwig Müller, Projektleiter des Einlagerungsexperiments. Der Grund: Die Bentonit-Füllung sollte über den ganzen Stollen eine Dichte von 1,45 Tonnen pro Kubikmeter aufweisen.

Bei diesem Wert erfüllt der Bentonit die benötigten Anforderungen für die Dichtigkeit (siehe Kasten). Das Granulat hat ähnliche Eigenschaften wie Opalinuston, in dessen Gesteinsschichten das Lager dereinst gebaut werden soll: Es besteht aus verschiedenen Tonmineralien, die Wasser aufnehmen können und dabei aufquellen. So dichten sich Risse bei Kontakt mit Gebirgswasser selbst ab und es wird verhindert, dass sich Wasserwege durch den Stollen bilden.

Es pfeift dreimal in der Werkshalle, und die zwölf Meter lange Maschine beginnt zu arbeiten. Fünf Förderschnecken transportieren das Bentonit-Granulat, das in Säcken abgepackt ist, über fünf lange Förderarme in den Stahlzylinder, der den Stollen simuliert. Jede Förderschnecke ist für sich regulierbar. Es staubt überraschend wenig, der Lärm ist erträglich. «Die Maschine wird in 50 Jahren vermutlich nicht so aussehen wie heute», sagt Heinz Jenni von Rowa. Allmählich füllt sich der Stahlzylinder mit Bentonit. Die Anlage ist kein Hightechgerät. Sie muss einfach funktionieren. Denn beim Bau des Tiefenlagers wird sie ferngesteuert.

Ist der Stollen einmal dicht, ist die Arbeit noch lange nicht abgeschlossen. Ein Problem bei der Lagerung ist die Wärmeproduktion der radioaktiven Abfälle. Diese werden zwar nach Entsorgungskonzept mindestens 40 Jahre im Zwischenlager in Würenlingen gelagert, um abzukühlen. Doch selbst nach dieser Zeit produzieren sie noch Energie, welche die Behälter erwärmt. Das hat Folgen für das Lagersystem im Opalinuston. Das Gestein, aber auch das Abdichtungsmaterial Bentonit, sollte sich nicht über längere Zeit über 120 Grad erwärmen. Unterhalb dieser Temperatur gehen die Forscher davon aus, dass sich die quellfähigen Mineralien nicht verändern. Es gibt dann kein Risiko, dass die für das Endlager notwendige Eigenschaft der Selbstabdichtung des Gesteins geschwächt wird.

So interessieren sich die Forscher während des Grossversuchs unter anderem, wie stark sich das Gestein während der Lagerung erwärmen wird und ob dadurch ein Wasserüberdruck im Fels entsteht. Der Behälter wird in den ersten Jahrzehnten nach der Einlagerung eine maximale Temperatur von etwa 140 Grad erreichen und dann allmählich abkühlen. «Wir haben in früheren Experimenten festgestellt, dass Bentonit als Puffer zwischen Behälteroberfläche und Gestein wirkt», sagt Irina Gaus von der Nagra. Das heisst: Im Abstand von etwa 50 Zentimetern vom Behälter ist es an der Felsoberfläche nur noch um die 50 bis 60 Grad warm.

Hunderte Sensoren messen

Die Nagra-Forscherin hat zusammen mit einem internationalen Team vor zwei Jahren in einem Mikrotunnel im Massstab 1:2 im Mont Terri die Verhältnisse punkto Wärme simuliert. Anstelle von hoch aktiven Abfällen installierten die Forscher je zwei elektrische Heizsysteme in Stahlbehältern. Denn Experimente mit hochaktivem Abfall sind im Felslabor nicht erlaubt. Der Stollen wurde mit Bentonit-Pellets abgedichtet. 400 Sensoren lieferten während 15 Monaten rund um die Uhr Daten zu Temperatur, Wasserdruck, Ausdehnung, Seismik und physikalischen Veränderungen im Fels und im Bentonit. Die Versuche zeigen: «Die Modelle bilden die Wirklichkeit recht gut ab», sagt Irina Gaus. So kann das thermische Verhalten über Jahrtausende berechnet werden.

Die Risiken des Endlagers sollten möglichst kalkulierbar sein. Deshalb braucht es bereits heute 1:1-Experimente, um frühzeitig die Machbarkeit des eingeschlagenen Weges einordnen zu können. So wird der Stollen beim Start der Verfüllung mit Bentonit im September ebenfalls mit drei tonnenschweren Stahlbehältern bestückt sein, in denen anstelle von radioaktivem Material wiederum Heizer die Wärmeproduktion simulieren. Hunderte Sensoren werden auch diesmal das thermische Verhalten von Bentonit und des anstehenden Opalinustons, Feuchtigkeits- und Druckentwicklung sowie das seismische Verhalten messen. «Wir hoffen, dass das Experiment so lange wie möglich läuft», sagt Projektleiter Herwig Müller. Der Versuch im Mont Terri ist der Anfang zum späteren Tiefenlager, das 2060 bereit sein sollte.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 05.07.2014, 11:58 Uhr

Bentonit

Quellfähiges Gestein als Füllstoff

Bentonit ist ein natürliches Material, das aus verschiedenen Tonmineralien besteht. Es entsteht durch die Verwitterung vulkanischer Asche. Der grösste Anteil davon ist Mont­morillonit (60 bis 80 Prozent). Das Gestein eignet sich besonders gut als Füllmaterial von Endlagerstätten, weil es viel Wasser aufnehmen kann und quellfähig ist. Das heisst: Poren im Bentonit verschliessen sich durch die Quellung selbst. Das grösste Vorkommen in Europa befindet sich auf der griechischen Insel Milos. Bentonitlagerstätten gibt es auch in Tschechien und Kasachstan. Die Nagra bevorzugt aufgrund ihrer wissenschaftlichen Erfahrungen für das Grossexperiment im Felslabor Mont Terri einen Rohstoff aus Wyoming in den USA: Natrium-­Bentonit. «Er überzeugt durch sehr gute Quelleigenschaften», sagt Hanspeter Weber, Bentonit-Experte bei der Nagra. Das Granulat dieses Bentonits wird in Deutschland zur Optimierung speziell raffiniert, damit bei der Verfüllung des Versuchstunnels die vorgegebene Dichte erreicht werden kann. (ml)

Prototyp einer Verfüllungsmaschine. Zum Vergrössern auf Grafik klicken.

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