Steinsalz durchlässiger als gedacht

  • 27. November 2015

Wie sicher sind geologische Endlager für radioaktiven Abfall?

Bestimmte geologische Schichten aus Steinsalz gelten als wasser­un­durch­lässig, sodass in ihnen gelagerter radioaktiver Abfall nicht mit dem Grund­wasser in Berührung kommen sollte. Doch jetzt haben Forscher an der University of Texas at Austin herausgefunden, dass Salzsole durch solche Steinsalzschichten dringen kann, für die man dies nicht erwartet hätte.

Abb.: Bei welchen Drücken P, Temperaturen T und Kontaktwinkeln (Zahl im Kreis) wasserdurchlässig polykristallines Steinsalz ist; Im weißen Bereich bilden die Hohlräume ein zusammenhängendes Netz und es tritt Perkolation auf; im dunkelgrauen Bereich sind die Hohlräume isoliert und die Salzschicht ist undurchlässig; die farbigen Linien entsprechen sechs verschiedenen Bohrkernen. (Bild: S. Ghanbarzadeh et al., AAAS)

Abb.: Bei welchen Drücken P, Temperaturen T und Kontaktwinkeln (Zahl im Kreis) wasserdurchlässig polykristallines Steinsalz ist; Im weißen Bereich bilden die Hohlräume ein zusammenhängendes Netz und es tritt Perkolation auf; im dunkelgrauen Bereich sind die Hohlräume isoliert und die Salzschicht ist undurchlässig; die farbigen Linien entsprechen sechs verschiedenen Bohrkernen. (Bild: S. Ghanbarzadeh et al., AAAS)

Marc Hesse und seine Mitarbeiter haben Bohrkerne untersucht, die von Erdöl­bohrungen im Golf von Mexiko stammten. Die entsprechenden Erdöl­lager befanden sich in einigen Kilometern Tiefe unter Stein­salz­schichten. Waren diese Schichten wasserundurchlässig, so konnten auch die Kohlen­wasser­stoffe des Erdöls nicht von unten in das Steinsalz eindringen.

Tatsächlich fanden die Forscher, dass das Steinsalz in den Bohrkernen ab einer bestimmten Tiefe eindeutig Kohlen­wasser­stoffe enthielt, die mit der Salzlösung in das Steinsalz eingedrungen sein mussten. Das war zunächst nicht überraschend, da Steinsalz in hinreichend großer Tiefe wasser­durch­lässig sein kann.

Steinsalz ist ein poröses polykristallines Material, dessen Hohlräume mit Salzsole gefüllt sind. Dabei lösen sich fortwährend Salzkristalle in der Sole auf oder gehen aus ihr hervor. Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand, der durch die Porosität des Materials und den Kontaktwinkel θ charakterisiert ist, unter dem zwei Mikrokristalle und die Salzsole aneinander stoßen.

Aus der Theorie und experimentellen Untersuchungen weiß man, dass für einen Winkel θ kleiner als 60 Grad ein zusammenhängendes Netz aus sole­gefüllten Hohlräumen das gesamte Material durchzieht. Die Flüssigkeit kann dann durch das Steinsalz perkolieren. Da bei hinreichend großem Druck und hoher Temperatur der Winkel θ diese Bedingung erfüllt, ist eine Stein­salz­schicht in großer Tiefe wasserdurchlässig.

Befindet sich die Schicht jedoch in geringer Tiefe, so ist der Winkel θ größer als 60 Grad. In diesem Fall beobachtet man eine Perkolationsschwelle: Bei geringer Porosität, also kleinem Soleanteil, ist die Schicht wasser­un­durch­lässig. Oberhalb einer bestimmten Porosität bildet sich ein zusammen­hängendes Hohlraumnetz, sodass die Salzlösung die Schicht durchdringen kann. Für ein Endlager sollte man deshalb eine Stein­salz­schicht wählen, deren Winkel θ größer als 60 Grad ist und deren Porosität unter der Perkolations­schwelle liegt. Doch das allein reicht nicht.

Abb.: Die Salzschichten (schwarze Doppelpfeile) in den untersuchten Bohrkernen enthalten Kohlenwasserstoffe auch in geringen Tiefen (dunkelgrauer Bereich), wo sie nach der gängigen Theorie wasserundurchlässig sein sollten. (Bild: S. Ghanbarzadeh et al., AAAS)

Abb.: Die Salzschichten (schwarze Doppelpfeile) in den untersuchten Bohrkernen enthalten Kohlenwasserstoffe auch in geringen Tiefen (dunkelgrauer Bereich), wo sie nach der gängigen Theorie wasserundurchlässig sein sollten. (Bild: S. Ghanbarzadeh et al., AAAS)

Unter den analysierten Bohrkernen fanden Hesse und seine Kollegen über­raschender Weise auch solche, die selbst in geringer Tiefe Kohlen­wasser­­stoffe enthielten, obwohl sie hier eigentlich wasser­un­durch­lässig sein sollten. Bei ihnen war der Winkel θ nämlich größer als 60 Grad, während ihre Porosität deutlich unter der Perkolationsschwelle lag. Dieser Befund steht somit im Widerspruch zur gängigen „statischen“ Theorie.

Eine plausible Erklärung beruht den Forschern zufolge darauf, dass das Steinsalz in der Erde einem inhomogenen Druck ausgesetzt ist und sich deshalb verformt, ja sogar wie eine zähe Flüssigkeit fließt. Dabei können sich mikroskopische Risse öffnen und wieder schließen, die es der Salzsole ermöglichen, in die Salzschicht einzudringen.

Die sich verformende Salzschicht kann jedoch auch wasserdurchlässig werden, ohne dass sich dazu Mikrorisse öffnen müssen. Wenn die Schicht großer Spannung ausgesetzt ist und nur wenig Sole enthält, kann es zu einer dynamischen Rekristallisation kommen. Dabei bildet sich an den Grenzen der einzelnen Mikrokristalle eine dünne Flüssigkeitsschicht. Wachsen oder schrumpfen die Kristalle bei der Rekristallisation, so bewegen sich ihre Grenzen und die Flüssigkeit wandert mit ihnen durch die Salzschicht. Auf diese Weise kann auch für großes θ und geringe Porosität Perkolation auftreten.

Die Forscher betonen, man sollte ihre Ergebnisse berücksichtigen, wenn man radioaktiven Abfall in Steinsalzschichten lagern will. Es reicht nicht, eine Schicht mit großem θ und geringer Porosität zu wählen, um die verhängnis­volle Perkolation zu vermeiden. Man sollte auch sicherstellen, dass die Schicht geringen Spannungen ausgesetzt ist, indem man ihre Mikrostruktur analysiert und die Korngrenzen, die Flüssigkeitsverteilung und die „Spannungsgeschichte“ der Schicht bestimmt.

Rainer Scharf

PH

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