{"id":11020,"date":"2021-02-24T09:50:50","date_gmt":"2021-02-24T08:50:50","guid":{"rendered":"https:\/\/www.fachbau.ch\/?p=11020"},"modified":"2021-02-24T09:50:50","modified_gmt":"2021-02-24T08:50:50","slug":"die-ewigkeit-im-felslabor-simulieren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fachbau.ch\/de\/die-baustellen\/2021-02-24\/die-ewigkeit-im-felslabor-simulieren\/","title":{"rendered":"Die Ewigkeit im Felslabor simulieren"},"content":{"rendered":"
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Sondierstollen im internationalen Felslabor Mont Terri. Seit 1996 werden hier Gesteins\u00adformationen untersucht, die bei der Lagerung radioaktiver Abf\u00e4lle eine Rolle spielen k\u00f6nnten. Foto: BGR<\/figcaption><\/figure>\n

Wenn Barbara Lothenbach ihre Forschungs\u00adprojekte vorantreibt, weiss sie, dass sie deren endg\u00fcltiges Ergebnis nicht mehr erleben wird: 100’000 bis eine Million Jahre soll halten, was sie erarbeitet. Die Forscherin vom Empa-Labor \u00abBeton & Asphalt\u00bb untersucht zement\u00adbasierte Materialien, die sich f\u00fcr die Entsorgung von radioaktiven Abf\u00e4llen eignen.<\/p>\n

In der Schweiz sollen entsprechend dem Kernenergiegesetz geologische Tiefenlager k\u00fcnftig schwach-, mittel, und hochaktiven Atomm\u00fcll aufnehmen. Hierzu m\u00fcssen stabile Gesteins\u00adschichten vorhanden sein, die die Endlager\u00adbeh\u00e4lter umschliessen. Da Material\u00adforscher allerdings wissen, dass kein Material unver\u00ad\u00e4nderlich ist und selbst Marmor, Stein und Eisen brechen, muss ein Wirtsgestein ausgesucht werden, das \u00fcber Jahrtausende geologisch m\u00f6glichst stabil und dicht ist. Der 180 Millionen Jahre alte Opalinuston, der sich in der Schweiz beispielsweise zwischen Olten und Schaffhausen in einer Tiefe von 600 Metern ausdehnt, hat sich als passendes Wirtsgestein herauskristallisiert. Da er eine geringe Wasserleit\u00adf\u00e4higkeit hat, besitzt er hervorragende isolierende Eigenschaften.<\/p>\n

Felsenfest im Berg eingeschlossen<\/strong>
\nDoch wie reagieren die kristallinen Strukturen und die Tonmineralien von Opalinuston mit zement\u00adbasierten Sicherheitsbarrieren, wenn der nagende Zahn der Zeit zu Ver\u00e4nderungen f\u00fchrt? Die Nationale Genossenschaft f\u00fcr die Lagerung radioaktiver Abf\u00e4lle (Nagra) ben\u00f6tigt hierzu Daten, damit ein Endlager f\u00fcr Atomm\u00fcll im Hinblick auf Umweltschutz und Sicherheit felsenfest in der Erde eingebettet werden kann.<\/p>\n

Den dazu n\u00f6tigen Analysen widmen sich auch Barbara Lothenbach und ihr Team, indem sie Experimente im Felslabor Mont Terri in St.\u00a0Ursanne, das in einer Opalinus\u00adtonschicht errichtet wurde, unter realit\u00e4tsnahen Bedingungen durchf\u00fchren. Gemeinsam mit internationalen Partnern und Forschungs\u00adgruppen aus der Schweiz wie etwa der Universit\u00e4t Bern und dem Paul Scherrer Institut (PSI) werden Reaktionen von zement\u00adbasierten Materialien und dem umliegenden Opalinuston simuliert. Die Langzeit\u00adentwicklung der Grenzschichten zwischen den sehr unterschiedlichen Material\u00adsystemen untersuchen und modellieren die Forschenden dabei in mehrj\u00e4hrigen Versuchsans\u00e4tzen bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 20 und 70 Grad Celsius.<\/p>\n

Comeback eines alten Bekannten<\/strong>
\nVon besonderer Bedeutung ist hierbei der stark alkalische pH-Wert von Zement, der bei herk\u00f6mmlichem Portland-Zement bei pH 13,5 oder sogar dar\u00fcber liegen kann. Damit das alkalische Milieu die Tonmineralien in der Umgebung weniger stark angreift, schien zun\u00e4chst eine Neuentwicklung, der sogenannte \u00ablow-alkali\u00bb-Zement, ein guter Kandidat f\u00fcr langlebige, Zement-basierte Schutzbarrieren zu sein. Mit einem pH-Wert von 12,2 oder tiefer weist er eine mehr als zehnmal niedrigere Alkalikon\u00adzentration auf. Lothenbach und ihr Team verglichen daher Zementarten mit unterschiedlichen pH-Werten mittels thermo\u00addynamischer Modellierungen und R\u00f6ntgen\u00addiffraktions\u00adanalysen. Erstmals liegen damit Langzeit\u00adergebnisse vor, mit denen sich die Zementarten und ihre Evolution im Berg charakterisieren lassen. Es stellte sich heraus, dass low-alkali-Zement tats\u00e4chlich schonender mit den Tonmineralien umgeht. Allerdings bilden sich bei Verwendung von herk\u00f6mmlichem Portland-Zement \u00fcber die Zeit chemische Verbindungen, die zu \u00e4hnlich g\u00fcnstigen Verh\u00e4ltnissen in der Sicherheits\u00adbarriere f\u00fchren. \u00abDamit ist der preiswertere und erprobte Portland-Zement wieder zur\u00fcck in den Mittelpunkt des Interesses ger\u00fcckt\u00bb, sagt Lothenbach.<\/p>\n

Verzwickte Radioaktivit\u00e4t<\/strong>
\nSollen zementbasierte Materialien radioaktive Substanzen vom Austritt in die Umwelt abhalten, darf zudem die Reaktion zwischen dem Atomm\u00fcll und dem Zement keinesfalls die Sicherheits\u00adbarriern des Lagers beeintr\u00e4chtigen. Die Empa-Forscher haben darum radioaktive Isotope, die im radioaktiven Abfall vorhanden sind, wie etwa jene des Elements Selen, in Adsorptions\u00adstudien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Selenverbindungen vom Zement aufgenommen werden, und zwar in grossen Mengen. \u00abEine Schutzbarriere aus Beton verz\u00f6gert das Austreten von Radioaktivit\u00e4t in die Biosph\u00e4re, da die Zement\u00admineralien die radioaktiven Substanzen binden und damit eine Verbreitung aufhalten\u00bb, so Lothenbach.<\/p>\n

So einfach lassen sich allerdings nicht alle Prozesse bewerten, die im komplexen Zusammenspiel der aufeinander\u00adtreffenden Materialien ablaufen, gibt die Forscherin zu bedenken. Man hatte zwar gehofft, dass die Entwicklung von neuen low-alkali-Zementarten Vorteile f\u00fcr die Haltbarkeit der Sicherheits\u00adbarrieren bieten. Allerdings stellten sie bei anderen Eigenschaften Nachteile fest: Mittels thermodynamischer Modellierungen und experimentellen Daten konnten die Empa-Forschenden erkennen, dass solche Zementarten Substanzen wie radioaktives Iodid schlechter binden.<\/p>\n

Gef\u00e4hrliche Korrosion<\/strong>
\nErstrebenswert ist eine Isolations\u00adschicht, die zwar m\u00f6glichst wasserdicht, jedoch nicht gasdicht abschliesst. Gase k\u00f6nnen in einem Tiefenlager beispielsweise durch Korrosion der eingeschlossenen Stahlbeh\u00e4lter entstehen, wobei sich Eisenhydroxid bildet und Wasserstoff freigesetzt wird. Solche Gase, die \u00fcber die Zeit in kleinen Mengen entstehen, m\u00fcssen entweichen k\u00f6nnen, um die Entstehung von \u00dcberdruck zu verhindern. Um langfristigen Reaktionen bei der Korrosion von Eisen an der Grenze zum Zementmaterial auf die Spur zu kommen, f\u00fchrten die Forschenden Untersuchungen mittels chemischer Analysen und Spektroskopie durch. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich Portland-Zement mit hohen pH-Werten besser bew\u00e4hrt als low-alkali Zement. Nun stehen weitere Experimente an, die diese noch wenig bekannten Korrosionsprozesse genauer beleuchten sollen.<\/p>\n

Zudem hat Lothenbachs Team die Phasen in der Interaktions\u00adzone von Zement und Opalinuston charakterisiert, die aus der Wechselwirkung von Tonmineralien mit den Bestandteilen des Zements entstehen, wie etwa eine Magnesiumsilikat-Phase. Dass derartige Zwischenschichten entstehen und zu einer Abdichtung der Schutzschicht beitragen k\u00f6nnten, war bisher nicht eindeutig gekl\u00e4rt. Erkenntnisse dieser Art k\u00f6nnen zur Entwicklung neuer Materialsysteme beitragen, die f\u00fcr die gesamte Bauindustrie interessant sind, ist Lothenbach \u00fcberzeugt. Denn trotz der guten Material\u00adeigenschaften von Portland-Zement wird heute verst\u00e4rkt nach Umwelt- und ressourcen\u00adschonenderen Alternativen gesucht, die auch f\u00fcr andere Anwendungen als in einem geologischen Tiefenlager eingesetzt werden k\u00f6nnten.<\/p>\n

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\nGemeinsam mit internationalen Partnern und Forschungsgruppen aus der Schweiz untersuchen Empa-Forschende die Reaktionen von zementbasierten Materialien und dem umliegenden Opalinuston. Foto: Pierre Montavon.<\/small><\/p>\n

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\nEmpa-Forscherin Barbara Lothenbach. Foto: Empa<\/small><\/p>\n

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\nElf Nationen mit verschiedenen Universit\u00e4ten und Forschungs\u00adinstituten sind am internationalen Forschungs\u00adprogramm im Mont Terri Felslabor beteiligt, darunter die Empa. Das unterirdische Felslabor befindet sich in einer Opalinuston-Schicht in 300 Meter Tiefe im Mont Terri bei St.\u00a0Ursanne (JU). Das Labor wird vom Bundesamt f\u00fcr Landes\u00adtopografie (swisstopo) betrieben, die Projektpartner finanzieren die Forschungsprogramme. Seit 1996 werden hier Gesteins\u00adformationen untersucht, die bei der Lagerung radioaktiver Abf\u00e4lle eine Rolle spielen k\u00f6nnten. <\/small><\/p>\n

Foto: swisstopo
\n<\/small>Text: Andrea Six (Empa) \/ Fotos: zvg<\/small><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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