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Bentonit als geotechnische Barriere

Das Füllmaterial

Geotechnische Barriere dienen dazu, die Behälter einzuschließen und die Zugangsschächte abzudichten. © Posiva Oy

Um ein Atommüll-Endlager längerfristig dicht zu machen, wird neben dem Untergrundgestein und den Behältern eine weitere Komponente benötigt: eine geotechnische Barriere. Sie dient dazu, die Zugangsschächte und Kavernen aufzufüllen und so die Schachtanlage sicher nach oben hin abzudichten. Gleichzeitig soll diese Barriere die Atommüllbehälter vor Wasser und chemischen Einflüssen schützen, die eine Korrosion beschleunigen würden.

Beton kommt für diese Aufgabe nicht in Frage. Denn die Mischung aus Zement, Kies und Sand hält unter Belastung meist nur wenige Jahrzehnte, bevor sich Risse und Brüche bilden. Hinzu kommt, dass in sich verformenden Wirtsgesteinen wie Ton oder Salz der sprödere Beton nicht flexibel genug ist, um eine anhaltende Abdichtung zu gewährleisten.

„Wundermaterial“ Bentonit

Als geotechnische Barriere der Wahl wird daher in fast allen Endlagerkonzepten ein natürlicher Füllstoff favorisiert: das Bentonit. Dieses Gestein besteht zu 60 bis 80 Prozent aus dem Mineral Montmorillonit, gemischt mit weiteren Tonmineralen. Der Clou dabei: Die besondere Kristallstruktur des Montmorillonits macht das Bentonit extrem quellfähig.

Das Mineral kann große Mengen Wasser aufnehmen und dabei sein Volumen um ein Mehrfaches ausdehnen. Gleichzeitig lässt sich das Bentonit ähnlich wie Beton in flüssiger Lösung einfüllen und wird dann in Ruhe von selbst fest. Dieses mineralische Dichtungsmaterial ist daher besonders gut dafür geeignet, Hohlräume dicht auszufüllen und eindringendes Wasser aufzusaugen und einzuschließen.

Die feinen Kristallstäbchen des Montmorillonits verleihen dem Bentonit seoine Absorptions- und Quellfähigkeit. © Rob Lavinsky, iRocks.com/ CC-by-sa 3.0

Im Endlager soll das Bentonit die Atommüllbehälter umschließen und dadurch zusätzlich stabilisieren. Gleichzeitig dient es als Puffer, der eindringendes Grundwasser von den Behältern fernhält. Umgekehrt kann das Bentonit die nach Korrosion der Behälter möglicherweise austretenden radioaktive Flüssigkeiten zumindest zum Teil absorbieren und so deren Verteilung im Untergrund eindämmen – so die Theorie.

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Das FEBEX-Projekt

Ob das Bentonit diese Aufgaben auch unter den harten Bedingungen eines Endlagers dauerhaft erfüllen kann, erforschen Wissenschaftler unter anderem im Rahmen des FEBEX-Projekts im schweizerischen Grimsel. Leere Atommüllbehälter wurden dafür mit Ballast und Heizelementen gefüllt und 1997 in den Schächten eines Untergrundlabors in Bentonit eingeschlossen. Mehr als 100 Sensoren messen seitdem die physikalischen und chemischen Veränderungen, die im Bentonit und den Behältern auftreten.

Dabei zeigte sich: Das Bentonit schafft es offenbar auch bei Temperaturen bis 100 Grad, seine Pufferfunktion gegen einen Wassereinstrom zu behalten. Während die Außenbereiche der Bentonitbarriere nach einigen Jahren deutlich aufgequollen und wassergesättigt waren, blieb der Bereich um die Behälter trocken. Studien in Südkorea deuten allerdings darauf hin, dass sich die Bentonitminerale innerhalb längerer Zeiträume in Illite umwandeln können – Tonminerale, die nicht quellen.

Im FEBEX-Versuch stellten die Forscher auch fest, dass sich im Bentonit durch chemische und mikrobielle Reaktionen Gase gebildet hatten – immerhin 350 Liter CO2 pro 100 Kilogramm Bentonit. Auf Dauer könnte eine solche Gasproduktion Hohlräume in die Mineralbarriere sprengen und so deren Dichtigkeit gefährden. Hier besteht daher noch Forschungsbedarf. Ungeklärt ist auch, inwieweit chemische Wechselwirkungen – beispielsweise mit Korrosionsprodukten der Behälter oder ebenfalls zum Verfüllen genutzte Zement – die Eigenschaften des Bentonits verändern.

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Nadja Podbregar
Stand: 01.12.2017

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Wohin mit dem Atommüll?
Die schwierige Suche nach einem Endlager

Das Problem
Radioaktive Abfälle und ihre Entsorgung

Unwägbare Risiken
Was die Endlagersuche so schwierig macht

Der Untergrund
Welches Gestein für das Endlager?

Die Behälter
Auf das Material kommt es an

Das Füllmaterial
Bentonit als geotechnische Barriere

Großexperiment mit ungewissem Ausgang
Wie geht es nun weiter?

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