Herrmann, Nico

Müller, Harald S.

KITopen

 71 Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton? Harald S. Müller und Nico Herrmann Zusammenfassung Im Zuge der Erstellung eines sicheren und zukunftsfähigen Zwischen- und Endlagerkonzeptes für radioaktive Ab-fälle wurde die seit Jahrzehnten allein favorisierte Lösung einer Endlagerung durch Verbringung in Salzstöcke im Laufe der jüngeren Vergangenheit in Frage gestellt. Die Suche nach dem optimalen Endlager wurde auch für die Verbringung in tonhaltige und kristalline Gesteine sowie für andere Lösungsansätze wieder offen gehalten. Eine zentrale Forderung der aktuellen Konzepte ist die Rückholbarkeit der nuklearen Abfälle aus dem Endlager, um es späteren Generationen zu ermöglichen, ggf. mit Hilfe neuer Technologien ein verbessertes Vorgehen in Angriff nehmen zu können. In der Frage der Zwischenlagerung radioaktiver Abfälle ergibt sich eine zusätzliche Motivation für neue Herange-hensweisen. Grund hierfür ist die Tatsache, dass teilweise bereits in den 2030er-Jahren Betriebsgenehmigungen für bestehende Zwischenlager auslaufen und damit die Errichtung neuer Zwischenlager an den zu diesem Zeit-punkt noch nicht nutzbaren Endlagerstandorten mit großer Wahrscheinlichkeit erforderlich sein wird. Diese neuen Zwischenlager werden oberirdisch oder zumindest oberflächennah angeordnet sein und müssen alle Anforderun-gen des Umgebungsschutzes insbesondere auch gegen terroristische Anschläge und Naturkatastrophen erfüllen. Die genannten Randbedingungen werfen neue von der Wissenschaft zu beantwortende Fragen auf. Diese umfas-sen das Baukonzept selbst, die Wechselwirkung zwischen den geologischen Bedingungen und den einzusetzen-den Materialien sowie natürlich die mechanische Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke. Gerade die nunmehr neu zu berücksichtigenden Gesteinsformationen bedingen die Verwendung modernster Betone so-wie neuer Bewehrungsmaterialien und -konzepte. Im vorliegenden Beitrag sollen neue Wege zur Lösung der essentiellen und generationenübergreifenden Aufgabe mit Hilfe von Beton aufgezeigt werden. Es geht vor allem darum, Denkanstöße zu geben und Lösungsperspektiven, die naturgemäß noch keine fertigen und baureifen Konzepte sein können, der Fachwelt zur Diskussion vorzulegen. 1 Allgemeines Bei der Suche nach einem sicheren und zukunftsfähi-gen Zwischen- und Endlagerkonzept für radioaktive Abfälle wurde die seit Jahrzehnten favorisierte  Lösung einer Endlagerung durch Verbringung in Salzstöcke im Laufe der jüngeren Vergangenheit  insofern in Frage gestellt, als dass die Suche nach dem optimalen Endlager auch wieder für andere  Lösungsansätze offen gehalten wurde. Dies ist veran-kert im Abschlussbericht der Kommission für die  Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwor-tung für die Zukunft – ein faires und transparentes Verfahren für die Auswahl eines nationalen Endlager-standortes“ (Juli 2016) [1]. Hierbei wird auch weiterhin den geologischen Fragestellungen höchste Priorität eingeräumt, jedoch bietet sich auch die Möglichkeit, über erweiterte oder ganz andere Lösungsperspektiven, z. B. mit Hilfe  moderner Betone und Bausysteme, nachzudenken. Da durch die genannten Randbedingungen die End-lagersuche sowie die Ausgestaltung der Lagerstätten wieder vollkommen offen sind, wird dies sehr wahr-scheinlich auch Auswirkungen auf die Bewertung und Auslegung der Zwischenlager haben. 2 Zwischenlager 2.1 Ausgangssituation Durch die Entscheidung der Bundesregierung, den Ausstieg aus der Kernenergie bis Ende 2022 zu voll-ziehen, ergibt sich der Zeitdruck, die Frage der Lage-rung von schwach und hoch radioaktiven Abfällen sehr schnell zu lösen. Da durch die neuen Optionen bei der Endlagerfindung eine Lösung bis zum Auslau-fen der ersten Betriebsgenehmigungen für beste-hende Zwischenlager in den 2030er-Jahren eher  unwahrscheinlich scheint, müssen entweder diese Genehmigungen verlängert oder neue Zwischenlager errichtet werden. 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung   72 Das Baukonzept für neue Zwischenlager muss natur-gemäß höchsten Anforderungen an die Integrität der Struktur genügen. Hierzu müssen zeitgemäße Last-annahmen hinsichtlich außergewöhnlicher Lasten (z. B. im Hinblick auf Anprall, Explosion, Erdbeben, …) berücksichtigt werden. 2.2 Lösungsansätze für mögliche neue  Zwischenlager Die oben aufgezeigten Anforderungen an Zwischen-lager ließen sich bei Neubauten mit oberirdischen und oberflächennahen Bauweisen realisieren. Die technologischen Grundansätze sind bekannt und las-sen sich wie folgt zusammenfassen:  Nutzung von Fertigteilen  leichte Erweiterung bzw. Rückbaubarkeit der Strukturen  Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC)  höheres Sicherheitsniveau  Verwendung innovative Bewehrungs- und  Verbindungstechnik   hohe Dauerhaftigkeit  Die Nutzung der Fertigteilbauweise bringt einige  erhebliche Vorteile mit sich:  Die Vorfertigung verkürzt die Bauzeit erheblich und vermeidet lange Standzeiten „halbfertiger“ Strukturen  Anforderungsgerechte Verwendung verschiede-ner Betone; Gradientenbetone sowie „Zonenbe-wehrung“ leicht und sicher realisierbar  Systembaukonzept erleichtert jegliche Art von Erweiterung und Rückbau  Qualitätssicherung im Werk sehr viel besser ge-währleistet als beim Bau mit Ortbeton  Nur Bauteile mit Zertifikat kommen auf die Bau-stelle  kein Rückbau bei Materialfehlern notwendig Die folgende Abb. 1 zeigt das Prinzip einer möglichen Ausgestaltung eines Zwischenlagermoduls, dessen Größe im vorliegenden Beispiel auf eine Einzelkapa-zität von vier CASTOR-Behältern ausgelegt wurde.    a)                    b)     Abb. 1: Prinzipskizze eines Zwischenlagermoduls:  a) Elemente des Moduls (Bauzustände) b) geschlossenes Modul (Endzustand)  Auf die genaue Ausarbeitung und Darstellung von Details wie beispielsweise Öffnungen, externe  Anschlagpunkte sowie Fugen- und Verbindungsele-mente wurde an dieser Stelle verzichtet. Hinsichtlich der Verbindungen sollten nichtmetal-lische, korrosionsresistente Systeme eingesetzt wer-den. Hierbei kommt der Anwendung neuer Materia-lien eine große Bedeutung zu. Man könnte sich hier sehr gut carbon- oder glasfaserbasierte Systeme vor-stellen, die eine exzellente Performance hinsichtlich der Dauerhaftigkeit zeigen. Bei den Fugen- bzw. Dichtsystemen müssen  spezielle Geometrien geplant und der Einsatz innova-tiver, extrem dauerhafter Materialien vorgesehen werden. Geeignete Systeme lassen sich ausgehend vom Stand der Technik entwickeln. Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?    73 Die Fertigteile selbst könnten aus einem UHPC beste-hen. Durch erfolgreiche Forschungs- und Entwick-lungsarbeiten der vergangenen Jahre konnten bei UHPC große Erfolge hinsichtlich deren Verarbeitbar-keit im Fertigteilwerk erzielt werden, so dass Festig-keiten von mehr als 200 MPa zielsicher erreichbar sind und sogar deutlich übertroffen werden können. Diese Betone zeigen zudem ein optimiertes Kriech- und Schwindverhalten, was die Auslegung für Lang-zeitanwendungen vereinfacht. Das Dauerhaftigkeitspotenzial gegenüber chemi-schen Angriffen ist um ein Vielfaches höher als bei Normalbetonen. Ein Karbonatisierungsfortschritt ist kaum messbar, würde aber letztlich auch keine Rolle spielen, da eine nicht-metallische Bewehrung vorge-sehen ist. Wissenschaftliche Untersuchungen bele-gen auch, dass selbst extreme Frostbeanspruchungen die Integrität von UHPC nicht beeinträchtigen. Diese vorangehend genannten erhöhten Wider-stände von UHPC gegenüber verschiedenen Einwir-kungen liegen vor allem in der geringen Porosität dieser Betone begründet. Eine Betrachtung der Häu-figkeitsverteilung der Poren zeigt, dass diese im UHPC etwa zehnfach feiner sind als in Normalbeto-nen. Auch das Gesamtporenvolumen des UHPC ist signifikant kleiner als das Porenvolumens von her-kömmlichen Betonen. Hinsichtlich der Bewehrung der einzusetzenden Fertigteile sollte man ebenfalls neue, durchaus aber bereits erprobte Materialentwicklungen berücksichti-gen. So gibt es beispielsweise hervorragende und vielversprechende Werkstoffe auf Carbon- und Glas-faserbasis. Eine Carbonbewehrung neuester Genera-tion geht mit Beton einen sehr guten Verbund ein und besitzt Festigkeiten, die etwa das Sechsfache von Stahl betragen, dabei aber nur ein Viertel an dessen Masse mitbringen. Die Einzelmodule für das Zwischenlager gemäß Abb. 1 sind kombinierbar und damit ausbaubar zu ei-nem gesamten Zwischenlager. Hierzu wird eine mas-sive Bodenplatte erstellt, auf der die Einzelmodule platziert und verankert werden. Sieht man eine ent-sprechend geeignete Verankerung der CASTOR-Be-hälter im Innern der Module vor, so besteht auch die Möglichkeit, die bestückten Einzelmodule als Ganzes mit entsprechenden Kränen zu bewegen und anzu-ordnen. Eine mögliche Anordnung von mehreren Ein-zelmodulen und deren Zusammenfassung zu einem Gesamtzwischenlager zeigt die folgende Abb. 2. Um einen zusätzlichen Schutz gegen Anpralllas-ten (Flugzeugabsturz) zu gewährleisten, kann das Zwischenlager auch oberflächennah ins Erdreich ein-gebettet werden. Dies gewährleistet trotz der Über-deckung eine leichte Zugänglichkeit bei späteren Maßnahmen oder nötigen Eingriffen. Das Prinzip der Einbettung ist in der Abb. 3 schematisch dargestellt, die das Zwischenlager unter dem transparent darge-stellten Erdhügel zeigt.     Abb. 2: Aus mehreren Modulen bestehendes Zwischenlager auf einer massiven Bodenplatte       Abb. 3: Oberflächennahe Einbettung des Zwischenlagers ins Erdreich  13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung   74 3 Endlager 3.1 Ausgangssituation Durch die Entscheidung der Bundesregierung, den Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Ende des Jah-res 2022 zu vollziehen, ergibt sich Zeitdruck hinsicht-lich der langfristigen Lagerung von schwach und hoch aktiven Stoffen. Das neue Endlagersuchkonzept priorisiert auch weiterhin eine Tiefenlagerung, eröff-net aber auch Alternativen. Statt nur Salzstöcke wer-den auch andere Gesteinsarten in die Überlegungen einbezogen, z. B. tonhaltige und kristalline Gesteine. Eine zentrale Forderung des neuen Konzeptes ist die Sicherstellung der Rückholbarkeit der Abfälle, um es späteren Generationen zu ermöglichen, mit Hilfe neuer Technologien eine wie auch immer geartete Ri-sikominimierung herbeizuführen. Diese Randbedin-gung stellt bei einem unterirdischen Endlager ebenso wie die Dauerhaftigkeit und Korrosionsbeständigkeit eine große Herausforderung dar. 3.2 Varianten für mögliche Endlager Aus der oben beschriebenen Ausgangssituation  ergeben sich zwei neue mögliche Varianten für das Konzept eines Endlagers. Diese beiden neuen Varian-ten bestehen einerseits in einer Tiefenlagerung in den nun auch in Erwägung gezogenen tonhaltigen und kristallinen Gesteinen und andererseits in der Mög-lichkeit eines Verzichts auf die Tiefenlagerung (siehe Abb. 4), was komplett neue Denkansätze erfordert.    Abb. 4: Mögliche Endlagervarianten entsprechend dem neuen Konzept der Endlagerfindungskommission [1]   3.3 Tiefenlagerung in tonhaltigen Gesteinen Bei dieser möglichen Endlagervariante müssen einige grundsätzliche Überlegungen angestellt werden, die zu Fragestellungen führen, die bisher kaum erforscht sind und deren kritischen Einflüsse dadurch noch nicht abschließend bewertet werden können. Da tonhaltige Gesteine nicht über die Stabilität von Salzstöcken verfügen, müssten hier Untertage-bauwerke aus Beton errichtet werden. Dies käme dem Vorhaben eines „tiefen Tunnelbaus“ gleich.  Dabei wird es naturgemäß Kontaktzonen zwischen Beton und Gestein geben, wobei die Langzeit-Wech-selwirkung beider Materialien bisher wenig unter-sucht wurde und damit schwer einzuschätzen ist. Das positive Verhalten der tonhaltigen Gesteine, das sich in deren Selbstheilungspotential durch Quellvorgänge zeigt, kann durch den hohen pH-Wert des angrenzenden Betons (>12) abgeschwächt wer-den [2]. Es findet damit eine Auslaugung in den Grenzbereichen statt. Man müsste also den pH-Wert des Betons durch gezielte Maßnahmen verringern, was den Einsatz spezieller Zemente erforderlich ma-chen würde. Damit einhergehen würde die Reduktion des Korrosionsschutzes einer etwaigen Stahlbeweh-rung. Dem könnte man nur entweder durch ein auf-wändiges Bauwerksdesign (überwiegend nur druck-belastete Bauteile) oder wiederum durch alternative Bewehrungslösungen entgegenwirken. 3.4 Oberirdische Endlager Neue Konzeptionen für Endlager sollten auch die  Variante eines Verzichts auf die Tiefenlagerung in  Erwägung ziehen. Hierzu sollen im Folgenden einige Denkansätze skizziert werden, die unter Verwendung modernster Betontechnologie und Betonbautechnik realisierbar wären. Mit Hilfe geeigneter Lastannahmen, aktuellem Planungswissen und der Verwendung modernster Materialien können sowohl geologischen Tiefenlager als auch oberirdische Lagerstätten sicher vor mensch-lichen kriegerischen und terroristischen Handlungen sowie vor Flugzeugabstürzen ausgelegt werden. Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?    75 Die positiven Aspekte einer solchen oberirdischen Lösung sind offensichtlich:   Eine einfache und kostengünstige Erstellung ist an beliebigen Orten möglich (unter Berücksichti-gung des gesellschaftlichen und politischen Wi-derstands)  Die Forderung der Rückholbarkeit ist leicht zu erfüllen  Neue Zwischenlager könnten zu Endlagern aus-gebaut werden  Sollten Zweifel an der Sicherheit einer oberirdischen Lösung bestehen, muss sich die Gesellschaft fragen, ob man dann jemals kerntechnische Anlagen und Zwischenlager an der Oberfläche hätte bauen dürfen. Wenn man bestehende Anlagen als sicher einschätzt, warum sollte dann eine Endlagerung nicht auch ober-irdisch erfolgen können? Als Beispiel für die Ausbaubarkeit eines nach dem oben vorgestellten Konzept errichteten Zwischenla-gers zeigt Abb. 5 die Erweiterung der modularen Zwi-schenlagerstruktur durch zusätzliche Geschosse, die auch die Aufnahme schwach aktiver Abfälle ermögli-chen. Nach der Bestückung der Zusatzflächen mit den Behältern für die schwach aktiven Abfälle wird in ähnlicher Form wie bei den Einzelmodulen eine zu-sätzliche massive Einhausung aus UHPC-Fertigteilen ergänzt, die für einen sicheren Einschluss sorgt. Hier-bei müssen wiederum entsprechende Technologien für die Fugen- und Verbindungsausbildungen einge-setzt werden, da ggf. die sehr massiven Bauteile aus Teilelementen bestehen müssen (siehe Abb. 6). Im letzten Arbeitsschritt kann auch hier eine künstliche Erdüberdeckung aufgeschüttet werden, die es trotz ihrer Schutzwirkung leicht ermöglicht, die Abfälle zurückzuholen, sofern neue Technologien zur weiteren Behandlung der radioaktiven Restmateria-lien zur Verfügung stehen (siehe Abb. 7). Denkbar wäre auch, das Endlager in einer offenen Baugrube, zum Beispiel 50-100 m tief, anzulegen und nach seiner Fertigstellung einen oberirdischen Gelän-deausgleich vorzunehmen. Für alle Zwischen- und Endlager gilt, dass ein geeignetes System des Moni-torings sowie der Überwachung und Kontrolle entwi-ckelt werden muss. Die Umsetzung des aufgezeigten Endlagerkon-zepts fordert natürlich gezielte Forschungs- und Ent-wicklungsarbeiten, um den heutigen Kenntnisstand zu neuen Materialien und Verbundsystemen zu  erweitern bzw. weiter abzusichern und gänzlich neue robuste Konzepte zu entwickeln.             Abb. 5: Erweiterung des Zwischenlagers für schwachaktive Abfälle hinsichtlich des Ausbaus zum Endlager             Abb. 6: Zusätzliches Einschlussbauwerk für das Endlager unter Verwendung von Fertigteilen 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung   76   Abb. 7: Oberflächennahe Einbettung des geschlossenen Endlagers ins Erdreich   4 Zusammenfassung Eine zentrale Forderung des neuen Endlagerkonzep-tes des Abschlussberichtes der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwortung für die Zukunft – ein faires und transparentes Verfahren für die Auswahl eines nationalen Endlagerstandortes“ ist die Rückholbarkeit der nuklearen Abfälle aus dem Endlager, um späteren Generationen das weitere Vorgehen bzw. eine Risikominimierung mit Hilfe neuer Technologien zu ermöglichen. Um diese Forderung zu erfüllen, böte sich die  Erstellung von Zwischen- und Endlagerstrukturen in Fertigteilbauweise als gute Lösung an. Nach der Fest-legung der zu berücksichtigenden Einwirkungen ent-sprechend neuesten wissenschaftlichen Erkenntnis-sen könnten die bemessungsrelevanten Kennwerte ermittelt und die entsprechenden Nachweisformate hergeleitet werden. Weitere Fragestellungen betref-fen insbesondere die Optimierung der Verbindungs-technik des Fertigteilsystems sowie die Planung und die baubetriebliche Realisierung dieses erweiterten Endlagerkonzeptes. Im Bereich der Zwischenlagerung radioaktiver Abfälle ergibt sich ebenfalls eine Motivation für neue Herangehensweisen. Grund hierfür ist die Tatsache, dass bereits in den 2030er-Jahren die ersten Geneh-migungen für bestehende Zwischenlager auslaufen werden und damit die Errichtung neuer Zwischenla-ger, möglicherweise an den zu diesem Zeitpunkt noch nicht nutzbaren Endlagerstandorten, erforder-lich sein könnte. Diese neuen Zwischenlager werden mit großer Si-cherheit oberirdisch oder zumindest oberflächennah, das heißt nur wenig tief im Erdreich, angeordnet sein. Sie müssen alle Anforderungen des Umgebungs-schutzes insbesondere auch bei Anpralllasten (Flug-zeugabsturz), terroristischen Anschlägen und Natur-katastrophen erfüllen. Hierfür kommen nur extrem widerstandsfähige Strukturen z. B. aus hochduktilem UHPC in Frage. Dieser neue, aber inzwischen hinrei-chend gut erforschte Baustoff erfüllt hinsichtlich Fes-tigkeit, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit die für solche Konstruktionen unabdingbaren Anforderun-gen. Die so erstellten Zwischenlager könnten bei  einem Verzicht auf die unterirdische Endlagerung zu dauerhaften Lagerstätten ausgebaut werden, die den Anforderungen sowohl an die Sicherheit als auch an die Rückholbarkeit genügen würden. Einige baube-triebliche Fragestellungen zu diesen speziellen Struk-turen müssten noch geklärt werden, um in jedem Bauzustand die erforderliche Sicherheit zu gewähr-leisten. Für jede Art der Zwischen- oder Endlagerung gilt, dass geeignete Monitoring sowie Kontroll- und Über-wachungssysteme entwickelt werden müssen. 5 Literatur [1] Abschlussbericht der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwortung für die Zukunft – ein faires und transparentes Verfahren für die Auswahl eines nationalen Endlagerstandortes“; K-Drs. 268; Juli 2016 [2] Bradbury, M.H.; Bayens, B.: Project Opalinus Clay: Sorption Data BAses for Opalinus Clay Influ-enced by a High pH Plume; National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste, Technical Report 03-12, Paul Scherrer Institut; Villigen PSI; Switzerland, November 2004  Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?    77 Autoren Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Gotthard-Franz-Str. 3 76131 Karlsruhe  Dr.-Ing. Nico Herrmann Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe Karlsruher Institut für Technologie (KIT)  Gotthard-Franz-Str. 3 76131 Karlsruhe  

Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?

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