Langzeitsicherheit, Teil I: der richtige Maßstab und ein Blick zurück

Im Rahmen der Endlagerung von hochradioaktiven Abfällen wird aktuell die Verbringung in tiefe geologische Formationen favorisiert. Eine der Hauptbedingungen ist, dass dieses Lager das eingelagerte Abfallinventar dann über einen sehr langen Zeitraum vor einem Kontakt zur Biosphäre schützen soll. Dieser Zeitraum wurde auf eine Millionen Jahre festgelegt. Aber wie kann man so eine lange Zeit überblicken und die Sicherheit gewährleisten? In diesem ersten Teil wird erläutert, wie man überhaupt auf diese Zeitspanne gekommen ist und wie geologische Betrachtungen eine Rolle spielen.

Einer der Hauptkritikpunkte in Diskussionen zur Endlagerung ist die Einlagerungszeit. Immerhin sind eine Millionen Jahre, die dafür gewählt wurden, eine schier endlos währende Zeitspanne. Gern wird dann auf die Geschichte verwiesen, darauf, was in nur hundert oder tausend Jahren alles passieren kann und wie unverhersagbar sich die Umstände ändern können. Und angesichts dieser Aussagen scheint es in der Tat sehr vermessen, über einen Zeitraum von einer Millionen Jahre eine verlässliche Aussage zu machen. Einführend zu dieser Problematik ein schönes Zitat:

Gemessen an der Geschichte der Menschheit sind 1 Million Jahre ein sehr langer Zeitraum. So wenig, wie der Frühmensch vor 1 Million Jahren, also lange bevor es Neandertaler und Cro-Magnon-Menschen gab, sich die heutige Menschheit vorstellen konnte, genauso wenig können wir die weitere Entwicklung der Menschheit über diese Zeitspanne abschätzen. Gemessen an der Erdgeschichte jedoch sind 1 Million Jahre kurz, und in geologisch stabilen Regionen, in denen sich die geologische Entwicklung über mehrere 10 oder 100 Millionen Jahre zurückverfolgen lässt, kann die Entwicklung während der nächsten 1 Million Jahre zuverlässig angegeben werden. Deshalb wird mit der Endlagerung in geologischen Formationen ein Weg gewählt, bei dem die langfristige Sicherheit des Endlagers auf der Stabilität der geologischen Barriere beruht, ohne dass dazu eine Nachsorge durch menschliches Handeln erforderlich ist.

Im Folgenden will ich auf einige Aspekte eingehen und darstellen, wie denn die Langzeitsicherheit gewährleistet werden kann und welche Arbeitsschritte hierfür notwendig sind.

Eine Frage des Maßstabs

Wie ich bereits in einem früheren Artikel schrieb, ist der erste Fehler, den viele Menschen begehen, dass sie sich selber als Maßstab nehmen. Prinzipiell ist das eine verständliche Sache, denn viele Dinge in unserer Umgebung spielen sich auf vergleichbaren und überschaubaren Skalen ab. Aber dieser menschliche Maßstab versagt bei einer solchen Problematik, hier müssen wir andere Skalen definieren.

Es ist doch so, dass viele Wissenschaften bereits ihre eigenen Maßstäbe mitbringen. Beispielsweise war mein Studienfach die Kernphysik. Dort werden Reaktionen zwischen Teilchen betrachtet und studiert, die nur eine Milliardstel Sekunde dauern. Trotzdem gilt das schon fast als ein langer Zeitraum angesichts anderer Reaktionen, die in noch bedeutend kürzerer Zeit ablaufen. Das krasse Gegenteil findet sich in der Astronomie, speziell in der Kosmologie: hier werden Zeiträume betrachtet, die über mehrere Millionen, ja sogar Milliarden Jahre ablaufen. Dennoch kann zum Beispiel auf der Grundlage der Kenntnis fundamentaler physikalischer und chemischer Prozesse (Kernreaktionen im Stern) sowie der zugehörigen Naturgesetze (Bewegung eines Sterns im Raum) ausgehend von den Beobachtungen in der Gegenwart die Entwicklung eines Sterns in der Zukunft bis zu seinem Tod zuverlässig beschrieben werden.

Aber auch zwischen den hier beschriebenen, unglaublich kurzen und schier ewig langen Zeiträumen gibt es unterschiedliche Maßstäbe: ein Historiker beispielsweise betrachtet Entwicklungen von einzelnen Personen, aber auch bis über viele Generationen hinweg. Biologen hingegen studieren Zeiträume die, im Rahmen von evolutionären Betrachtungen, auch mal zehn- oder gar hundertausend Jahre umfassen können.

Wichtig ist also, dass ein dem Problem angemessener Maßstab gewählt wird. Und für die vorliegende Problematik darf das nicht ein historischer, astronomischer, kernphysikalischer oder gar menschlicher Maßstab sein, hier muss die geologische Zeitskala gewählt werden. Im Rahmen dieser Skala werden Prozesse betrachtet, die naturgemäß weitaus langsamer ablaufen als wir aus unserer Alltagswelt kennen: die Bewegung der Kontinente, das Entstehen und Vergehen von Gebirgen oder Wanderungen von Gletschern. Wie nun eine solche Beschreibung möglich ist, dazu später mehr. Zunächst möchte ich noch ein paar Worte zum gewählten Zeitraum selber loswerden.

[Nachtrag 23.06.2011: ich bin gerade über einen grandiosen Artikel gestolpert, dort hat der Autor, Stefan Oldenburg, mal die Entwicklungsgeschichte der Erde zum Scrollen dargestellt. Dabei gewinnt man ganz hervorragend ein Gefühl für diese gigantischen Maßstäbe. Danke an dieser Stelle.]

Der Isolationszeitraum

In 2002 legte der Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AkEnd) seinen Abschlussbericht vor in welchem detailliert die Bedingungen beschrieben werden, die ein Endlager sowie die Endlagersuche zu erfüllen haben. Der dabei geforderte Isolationszeitraum ist der Zeitraum, über den gewährleistet werden soll, dass das eingelagerte Inventar keinen Kontakt zur Biosphäre hat. Dieser wurde auf eine Millionen Jahre festgelegt.

Für diese Festlegung wurde zunächst das zu erwartende Abfallinventar abgeschätzt, also zusammengefasst, wieviel der verschiedenen Materialien und radioaktiven Isotope anfallen werden. Damit konnte in einem nächsten Schritt die Aktivität zum Zeitpunkt der Einlagerung bestimmt werden was dann wiederrum die Grundlage für eine Langzeitprognose darstellte. Durch die Kenntniss der Halbwertzeiten und der Mengen lässt sich nämlich bestimmen, in welchen Zeiträumen das eingelagerte Inventar wieviel an Aktivität verliert. Eine solche Darstellung der Aktiviät ausgewählter Isotope gegen die Zeit ist beispielhaft im folgenden Bild dargestellt.

Quelle: Gesamtbewertung der Langzeitsicherheit für den Standort Asse (Konsequenzenanalyse), GRS, 2006

Die Überlegung ist nun, dass vom Abfall keine Gefahr mehr ausgeht, wenn dessen Aktivität ein natürliches Niveau erreicht hat. Vorbild ist also die Natur: dort gibt es ebenfalls Uranlagerstätten, welche die Umgebung einer radioaktiven Strahlung aussetzen. Und diese natürlichen Uranerzvorkommen zeigen sehr gut, dass geologische Gegebenheiten existieren, deren Eigenschaften die nachteiligen Auswirkungen solcher Lagerstätten von der Biosphäre fernhalten. In einer Langzeitbetrachtung muss daher das Ziel sein, dass der Isolationszeitraum wenigstens so lange zu bemessen ist, bis die Aktivität des Abfallinventars dem eines natürlichen Uranerzlagers entspricht. Natürlich darf dieser Zeittaum des kompletten Einschlusses auch größer sein, aber dieses Minimum muss erfüllt sein. Hierbei konnte ein Konsens gefunden und der Isolationszeitraum auf ebendiese eine Millionen Jahre festgelegt werden.

Die geologische Vergangenheit

Im Rahmen zahlreicher Forschungsvorhaben in der Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gesteinsformationen aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie des Aufbaus des Gebirges nur geringe Durchlässigkeiten gegenüber fluiden Phasen aufweisen, teilweise im technischen Sinne sogar dicht sind.

Um aufgrund dieser Gegebenheiten eine begründete Prognose für eine zukünftige Entwicklung ableiten zu können, muss die geologische Situation der Gegenwart sowie die der Vergangenheit untersucht werden. Der Prognosezeitraum ist also sehr eng verknüpft mit der Kenntnis über die geologische Entwicklung des potentiellen Standortes in der Vergangenheit. Ist die Entwicklungsgeschichte eines solchen Systems über viele Millionen Jahre zurückverfolgbar und kann weiterhin gezeigt werden, dass in dieser Zeit keine Veränderung der wesentlichen sicherheitsrelevanten Merkmale erfolgten, so ist eine Prognose über den geforderten Isolationszeitraum durchaus möglich.

Also wird zunächst eine Analyse der geologischen Geschichte durchgeführt. Hierbei gibt es eine Vielzahl von Indikatoren die man betrachten kann. So können zum Beispiel seismische wie auch vulkanische Aktivitäten gemessen werden. Diese beiden Parameter können recht gut zurückverfolgt werden und zeigen, wann in der Vergangenheit es diesbezüglich zu größeren Aktivitäten kam. Dabei ist vor allem die seismische Aktivität einer Region ein Hinweis auf vorhandene Störungen im Gebirgsbereich und gilt als Indikator für ablaufende tektonische Prozesse. Auch kann hier auf historische Quellen zurückgegriffen werden, die bis ins Jahr 800 zurück aufzeigen, wo und wann es wie starke Erdbeben gab. Natürlich muss klar sein, dass sich aus einem gerade mal tausendjährigen Erdbebenkatalog nicht auf einen Zeitraum von einer Millionen Jahre schließen lässt, aber es sind wichtige Teile der Betrachtung, die am Ende zum Gesamtbild beitragen.

Und auch der Vulkanismus in Deutschland ist für die Zeit zwischen 10.500 Jahren und 1,2 Mrd. Jahre in Deutschland gut dokumentiert und gibt recht verlässliche Aussagen bzgl. der Wahrscheinlichkeit zukünftiger Aktivitäten. So gilt es zum Beispiel als sicher, dass innerhalb der nächsten Millionen Jahre in den Regionen der Eifel wieder mit verstärkten vulkanischen Tätigkeiten zu rechnen ist – ein Ausschlusskriterium für ein Endlager.

Ferner wird auch das Alter von Grundwässern gemessen. Findet man zum Beispiel Grundwasser mit einem sehr hohen Alter, so lässt das auf eine längere Verweilzeit im Grundwasserleiter schließen was wiederrum die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass dieses nicht oder nur im geringen Ausmaß am aktiven hydrologischen Kreislauf teilnimmt. Damit ist ein solches Grundwasser mit hohem Alter ein Indikator für stabile hydrodynamische Grundwasserverhältnisse. Wie ich immer wieder geschrieben habe, konnte zum Beispiel nachgewiesen werden, dass die Wassereinschlüsse in den untersuchten Salzstöcken seit dem Zeitpunkt der Entstehung vor über 220 Millionen Jahren keinerlei Kontakt mehr zur Biosphäre hatten. Auch ein gutes Kriterium für eine stabile geologische Formation.

Dies sind nur drei einer wesentlich umfangreicheren Palette an zu bestimmenden Parametern. Für alle Interessierten empfehle ich als weiterführenden Text zu dieser Thematik den in 2007 veröffentlichten Teilbericht “Geologisches Referenzmodell für einen HAW-Endlagerstandort im Salz”. In diesem wird diese Beschreibung der geologischen Vergangenheit sehr detailliert ausgeführt und beschrieben und auch noch auf viele andere zu untersuchenden Parameter eingegangen. Dieser Bericht ist Teil des von 2005 bis 2010 durchgeführten Projektes ISIBEL: “Sicherheitliche Bewertung von Endlagern für hochradioaktive, wärmeerzeugende Abfälle (HAW) in der Wirtsgesteinsformation Salzgestein”.

Die Kenntnis der geologischen Vergangenheit gewährleistet also eine gute Prognostizierbarkeit in die zukünftige Entwicklung. Damit soll dieser erste Teil enden, im zweiten Teil werde ich dann den nächsten Schritt der Langzeitsicherheitsanalyse beschreiben: die Szenarienmodellierungen. Der dritte Teil schließlich setzt sich mit der Rolle des Menschen auseinander.

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