Überprüfung des perkolationsgetriebenen Transports von Fluiden im Wirtsgestein Steinsalz unter relevanten Bedingungen für ein Endlager (PeTroS) BASE-Forschungsprojekt
Themenfeld: Endlager Status: abgeschlossen Finanzierung: BMUV-Ressortforschungsplan
Projektbeschreibung
Ungestörtes kommt laut grundsätzlich als eines von drei möglichen Wirtsgesteinen für ein für in Betracht. wird generell als undurchlässig für Flüssigkeiten und Gase angesehen. Eine wissenschaftliche Veröffentlichung (Ghanbarzadeh et al., 2015) hat diese Barrierewirkung von gegenüber Flüssigkeiten und Gasen jedoch in Frage gestellt. Ziel des Forschungsvorhabens PeTroS „Überprüfung des perkolationsgetriebenen Transports von Fluiden im unter relevanten Bedingungen für ein “ war es, die These von Ghanbarzadeh et al. experimentell unter endlagerrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen zu untersuchen.
Ghanbarzadeh et al. (2015) führten fünftägige Experimente mit losen Körnern aus durch, die erst in den Versuchen kompaktiert wurden und werteten Beobachtungen an erbohrten Steinsalzproben aus Erdölfeldern aus. Auf Basis ihrer Beobachtungen stellten sie die These auf, dass unter endlagerrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen eine deutlich erhöhte Durchlässigkeit aufweisen könne. Ursache für die angenommene erhöhte Durchlässigkeit könnten nach den Autoren zwei bislang nicht beachtete, hypothetische Transportmechanismen im sein:
- Die Ausbildung eines durchgehenden Fluidfilms entlang der Korngrenzen aufgrund eines von den Druck- und Temperaturbedingungen abhängigen kleinen Benetzungswinkels im System – Fluid sowie
- die Schaffung neuer Fließwege im Zusammenhang mit einer Deformationsbeanspruchung des Gesteins.
Die Thesen von Ghanbarzadeh et al. beruhen ausschließlich auf indirekten Indizien. Direkte Messungen der Durchlässigkeit wurden weder an Laborproben, noch an Bohrkernen oder in-situ (also beispielsweise in einer Salzformation in einem Forschungsbergwerk) durchgeführt.
Zur Überprüfung der für das Standortauswahlverfahren wichtigen Fragestellung, ob die Barrierewirkung von unter relevanten Druck- und Temperaturbedingungen gegebenenfalls grundsätzlich in Frage zu stellen ist, hatte das BASE das aus Mitteln des Ministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit finanzierte Forschungsvorhaben „PeTroS“ öffentlich ausgeschrieben und das Institut für GmbH Leipzig (IfG Leipzig) mit der Ausführung beauftragt. Ziel war es, die von Ghanbarzadeh et al. (2015) geweckten Zweifel an der Dichtheit von erstmalig unter repräsentativen Druck- und Temperaturbedingungen an natürlichen Steinsalzproben experimentell zu überprüfen. In einem technisch aufwändigen Versuchsprogramm wurden an den Steinsalzproben experimentelle Durchflussmessungen unter quasi-isotropen (also in alle Richtungen gleich) Spannungsbedingungen ohne Deformation durchgeführt. Als Fluide wurden sowohl Gas (Stickstoff) als auch Flüssigkeit (gesättigte Steinsalzlösung) unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen (18 MPa und 38 MPa bei 140 °C, 160 °C und 180 °C) untersucht.
Die von Ghanbarzadeh et al. (2015) vorausgesagten erhöhten Durchlässigkeiten konnten in den Versuchen bei Versuchslaufzeiten von mehreren Stunden bis zu fünf Tagen nicht beobachtet werden. Alle Versuche zeigten erst bei Überschreitung des Minimalspannungskriteriums signifikante Durchlässigkeiten und belegen die Existenz dieser bekannten und gut untersuchten Perkolationsgrenze auch unter den untersuchten Bedingungen bei erhöhter Temperatur. Die von Ghanbarzadeh et al. postulierte deformationsunterstützte Perkolation wurde in diesem Vorhaben nicht experimentell untersucht. Allerdings legen im Vorhaben PeTroS durchgeführte theoretische Überlegungen nahe, dass dieser Mechanismus in Frage zu stellen ist. Sollten künftige Forschungsergebnisse jedoch neue / weitere Indizien für eine de-formationsunterstützte Perkolation liefern, sind möglicherweise weitere experimentelle Durchflussuntersuchungen unter Deformationsbedingungen notwendig.
Fazit
Die im Jahr 2015 postulierte erhöhte Durchlässigkeit von in Folge der Ausbildung eines durchgehenden Fluidfilms entlang der Korngrenzen aufgrund eines von den Druck- und Temperaturbedingungen abhängigen kleinen Benetzungswinkels im System – Fluid konnte experimentell nicht bestätigt werden. Die Ergebnisse des Vorhabens PeTroS geben keine Hinweise, dass die Barrierewirkung von unter relevanten Druck- und Temperaturbedingungen gegebenenfalls grundsätzlich in Frage zu stellen ist. Die Barrierewirkung von ist im Verlauf des Standortauswahlverfahrens regionen- bzw. standortspezifisch zu untersuchen und im Rahmen der vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und Bewertungen machen gegebenenfalls weitere experimentelle Studien notwendig. Das BASE wird dieses Thema wissenschaftlich weiterhin eng verfolgen und bei Bedarf weitere Forschungsarbeiten in Auftrag geben.