Gefügestabilisierter Salzgrusversatz - Phase 1 (GESAV I)

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Motivation

Auf Basis des Förderkonzepts des BMWi (2015-2018) über die Forschung zur Entsorgung radioaktiver Abfälle, FuE-Bereich 3: Endlagerkonzepte und Endlagertechnik, wird das Versetzen von untertägigen Hohlräumen, welche für eine Einlagerung von HAW-Abfällen im Wirtsgestein Steinsalz aufgefahren werden, untersucht. Versatz stützt die geologische Barriere und minimiert damit die Bildung von Fluidwegsamkeiten. Als Versatzmaterialien werden in den gültigen Konzepten lagerstättentypische oder auch lagerstätteneigene Materialien verwendet, um die Langzeitbeständigkeit der Versatzkörper sicherzustellen. Für die Entsorgung in salinaren Formationen ist dabei Salzgrus als arteigenes Material von besonderer Bedeutung.

Das Vorhaben GESAV I verfolgt das Ziel, eine neuartige Form der frühzeitigen Gefügestabilisierung von Salzgrus für den Einsatz als Versatz im salinaren Millieu zu finden. Dazu dient als stabilisierender Bestandteil ein Salzbinder, der dem gefügebestimmenden Salzgrus zugegeben wird und durch eine zielgerichtete Salzmineralneubildung an den Kornkontaktstellen die Gesamt-festigkeit der Versatzmatrix erhöht.

Im Vorhaben GESAV I wird der Salzbinder auf Basis von natürlich auftretenden Salzmineralen entwickelt. Weiterhin werden geeignete Salzgruskörnungen und -gemische zur Erreichung optimaler mechanischer Eigenschaften bestimmt.

Ansatz des Projektes

Salzgrusversatz ist ein granulares Korngemisch, welches sich nach dem Einbringen eigengewichtsbedingt setzt. Die Stützwirkung des Salzgruses ist gegeben, sobald das Gebirge im Kontakt mit dem Versatzkörper ist und Last in diesen abtragen kann. Die Zeitdauer bis zum Wirksamwerden von trockenem Salzgrusversatz als tragfähigem Versatzkörper kann mehrere Monate bis Jahre in Anspruch nehmen.

Im Gegensatz zum konventionellen Salzgrusversatz entwickeln salinare Baustoffe, wie z. B. Sorelbeton, frühzeitig eine Festigkeit zur Gebirgsstabilisierung. Salinare Baustoffe bedingen jedoch einen hohen Einbauaufwand (z. B. Widerlager und Schalungen) sowie einen hohen Lösungseintrag in das Endlager.

Im Rahmen des FuE-Vorhabens GESAV I wurde nun ein Material entwickelt, welches die Vorteile von konventionellem Salzgrusversatz (einfacher Einbau, Langzeitbeständigkeit) und von salinaren Baustoffen (frühzeitige Gebirgsstabilisierung) vereinigt.

Die Abbildung unten zeigt die Wirkungsweise der Gefügestabiliserung von Salzgrus durch Polyhalit [© TUBAF]

Ergebnisse

An der TU Bergakademie Freiberg wurde ein gefügestabilisierter Salzgrusversatz entwickelt. Die Gefügestabilierung wird durch Zugabe eines Salzbinders erreicht. Dieser besteht aus Kieserit, Kaliumsulfat, Calciumsulfat-Halb-hydrat und einer Magnesiumchloridlösung. Die Festigkeitsentwicklung wird durch Salzmineralneubildungen an den Kontaktflächen der Halitkörner erreicht (Abbildung  links). Dabei bildet sich die Mineralphase Polyhalit (Langzeitfestigkeit) über die Zwischenphasen Syngenit und Kainit (Frühfestigkeit).

Folgende Anforderungen wurden an das zu entwickelnde Material gestellt:

• Erreichbarer Verfüllungsgrad von nahezu 100% nach dem Einbau unter Tage (Vollverfüllung)

• Keine Setzungen des Versatzmaterials nach dem Einbau durch Selbstverdichtung

• Bildung von Polyhalit als langzeitbeständige Salzmineralphase

•  Minimaler Gehalt des Bindemittels an der Gesamtmasse des Versatzes

• Beibehalten der Schüttguteigenschaften beim Einbau unter Tage

• Einbau unter Tage ohne Widerlager, Schalungen und/oder Drainagen

• Geringere oder mindestens vergleichbare Permeabilität wie herkömmlicher Salzgrusversatz

Wichtige Parameter zum Erreichen einer hohen Festigkeit und geringen Permeabilität sind die Einbaudichte und die Materialzusammensetzung.

Für das entwickelte Versatzmaterial wurde beim Deutschen Patent- und Markenamt ein Patent unter der Nummer 10 2015 005 288 erteilt.

Ausblick

Im Anschlussvorhaben GESAV II (FKZ: 02E11557) werden Verfahren zum Einbau untersucht, welche eine hohe Einbaudichte (bestimmender Faktor für eine geringe Permeabilität und hohe Festigkeit) ermöglichen sollen. Weiterhin muss ein potentielles Einbauverfahren die patentierte Materialzusammensetzung auch im Einbauzustand gewährleisten, um die nachgewiesene Polyhalitbildung zu ermöglichen.

An zukünftig anzuwendende Einbauverfahren und -technologien werden folgende Anforderungen gestellt:

•  Geringe Materialbeanspruchung (Korndeformation, Kornbruch)

• Vermeidung von Entmischungsvorgängen

• Erzielung einer hohen Einbaudichte

• Zügige Materialverarbeitung

• Pneumatische, maschinelle und mechanische Verfahren sind potentielle Einbauverfahren, welche untersucht werden.

Die Abbildung unten zeigt das Schleuderversatzverfahren mit Steinsalzgrus bei der Verwertung von berg-baufremden, nicht radioaktiven Abfällen in Big Bags [© K+S Entsorgung GmbH], als Vertreter der maschinellen Versatzverfahren.