CD-A

Influence of humidity on cyclic and long-term deformations

Das Ziel des CD-A Experiments dient dem Verständnisgewinn bei komplexen hydraulisch-mechanischen Prozessen in Tonstein im Hinblick auf Sicherheitsaspekte während und nach einer Exkavierung.

Speziell während der Konstruktion eines Tiefenlagers und in dem sich unmittelbar anschließenden Zeitraum wird das Gleichgewicht im geologischen Untergrund maßgeblich gestört. Durch die Arbeiten selbst und durch die fehlenden Gesteins- und ggfs. Fluidmassen sind Gegenmaßnahmen erforderlich um die Stabilität des Tunnelsystems und die Integrität der geologischen Barrieren zu gewährleisten.

Um die komplexen Prozesse besser verstehen zu können, wurden zwei zueinander parallele, ohne Spritzbeton gestützte Nischen, ausgehend von der Galerie 18, gebaut. Diese sogenannten Zwillingsnischen unterscheiden sich nur dadurch, dass eine Nische verschlossen ist, die andere frei der Ventilation im Felslabor ausgesetzt ist.Dieser Ansatz ermöglicht die Entsättigung in den Nischen quantitativ miteinander vergleichen zu können. Das breite Sensoraufgebot wird mit aufwendigen Modellierungen komplementiert und wird im VR-Experiment virtuell dargestellt.

Partner: BGR, BGE, ENSI, GRS, Helmholtz, swisstopo.

CL

CO₂LPIE – CO₂ Long-term Periodic Injection Experiment

Das CL-Experiment untersucht den langfristigen Einfluss von Fluiden auf Barriereeigenschaften, speziell im Kontext von CO₂ Einlagerung im geologischen Untergrund.

Um eine ökonomisch sinnvolle und für die Umwelt sichere Nutzung des tiefen Untergrunds, z.B. bei CO₂ Einlagerung, Geothermie, Gas- und Energiespeichern, zu ermöglichen, müssen geeignete Barrieregesteine die jeweiligen Reservoirformationen langfristig abdichten. Durch die Einbringung bzw. Entnahme von Fluiden oder Energie werden thermische, hydromechanische und chemische Änderungen im Gestein hervorgerufen, welche die Integrität der Barriere beeinflussen können.

Das Mont Terri Felslabor bietet eine einzigartige Möglichkeit in-situ-Experimente zu diesem Themenkreis durchzuführen. Hierbei steht Opalinuston als aussagekräftiger Stellvertreter bei der Bearbeitung des Themenkomplex Barrieregestein. Aufbauend auf dem bereits vor Ort gewonnenen Erkenntnisfundus dient der geplante CO₂-Injektionsversuch der Erforschung von Prozessen im Tongestein auf der bisher kaum zugänglichen Skala zwischen Labor- und Feldversuch. Die komplexen gekoppelten THMC-Prozesse werden in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung über einen Zeitraum von mehr als einer Dekade mit einem umfassenden Monitoringprogramm beobachtet werden und schließen somit auch die zeitliche Lücke zwischen Laborversuchen und natürlichen Analoga. Die Feldstudien in Mont Terri werden durch analytische Laborarbeiten und computergestützte Simulationen vervollständigt und umfassen das Spektrum Grundlagenforschung bis Angewandte Forschung und Risikoabschätzung.

Partner: BGR, ETH Zürich, swisstopo, in Kooperation mit CEE University of Illinous (USA), CSIC (Spanien), Universität Bern (Schweiz).

DR-D

Heterogeneity of sandy facies by geophysical characterization and diffusion studies

Das neue DR-R Experiment untersucht den Einfluss von Heterogenitäten in der sandigen Fazies auf den Diffusionstransport von Tracern mittels hochauflösenden geophysikalischen Messungen und Diffusionsexperimenten.

Für die Erkundung von Wirtsgesteinen und Standorten ist das Verständnis der möglichen Migrationswege von Radionukliden und den zugrundeliegenden Migrationsprozessen zwingend. Ein Faktor, der hier die Variabilität in hohem Masse beeinflusst, ist die Heterogenität des potentiellen Wirtsgesteins z. B. in Form von natürlichen Aggregaten, Störungen oder Mikrorissen.

Im Vergleich zu vielen anderen Gesteinen ist der in Mont Terri anzutreffende Opalinuston großräumig sehr homogen ausgebildet, nicht zuletzt dadurch, dass das Ursprungsmaterial in einem Flachmeer über einen längeren Zeitraum gleichmäßig abgelagert wurde. Räumlich hochauflösende in situ und Labor-Untersuchungen konnten jedoch auch im Opalinuston heterogene und anisotrope Charakteristika detektieren, beispielsweise wechselnde Gesteinszusammensetzungen aus Ton, Sand und Karbonaten, Anisotropien durch Schichtung oder Inhomogenitäten in Form von Rissen und Brüchen. Die geplante tomographische Charakterisierung der sandigen Fazies mittels sich ergänzenden seismischen Methoden trägt zur Sicherheitsbewertung eines nuklearen Endlagers bei und kann auf andere potentielle Wirtsgesteine übertragen werden.

Partner: Helmholtz, BGE, BGR.

FE-M

Long-term monitoring of the full scale emplacement experiment

Beim FE-M Experiment handelt es sich um einen 1:1 skalierten Langzeitversuch zur Untersuchung der Temperaturauswirkungen auf Barriereeigenschaften.

Die durch radioaktiven Zerfall bedingte Energieabgabe beeinflusst die temperaturabhängigen Eigenschaften der den Abfall umgebenden technischen und geotechnischen Materialien. Diese Änderungen können die Integrität der Barrieren beeinflussen oder sogar kompromittieren.

Um den Einfluss der zu erwartenden Temperaturerhöhung auf die aus einer Mischung aus Sand und Bentonit bestehende geotechnische Barriere als auch die Auswirkungen auf den Opaliniston besser verstehen zu können, wurde in Mont Terri ein Einlagerungsexperiment in Originalgröße realisiert. Die Temperaturerhöhung im verfüllten Raum entspricht der Wärmeabgabe von hochradioaktivem Abfall in einem einzigen Tunnel und wird durch Heizelemente nachgebildet. Ein aus mehreren hundert Sensoren bestehendes Messprogramm ermittelt gemeinsam mit umfassenden Modellierungen die thermisch verursachten mechanischen und hydrologischen Veränderungen.

Partner: NAGRA, ANDRA, BGE, BGR, DOE, FANC, GRS, NWMO, RWM.

FS-B

Imaging the long-term loss of faulted host rock integrity

Das Hauptziel des FS-B Experiments besteht darin, die durch eine Fluidinjektion in eine geologisch aktive Störungszone hervorgerufenen Verschiebungen und die hiermit einhergehenden Änderungen in Fluidfluss, Permeabilität, Deformation und Spannung zu beobachten.

Durch Fluidinjektionen können Verwerfungen aktiviert werden, die durch THMC-Prozesse Parameter wie die Gesteinspermeabilität um mehrere Größenordnungen erhöhen können. Bei der Reaktivierung können kleine Erdbeben und Leckagen hervorgerufen werden. Es kann zu einer Kompromittierung des Barrieregesteins kommen und in Folge dessen zu einem Sicherheitsrisiko. Das Verständnis der zugrundeliegenden Abläufe ist daher zwingend für die sichere Speicherung oder Entnahme von Fluiden im geologischen Untergrund.

In situ Experimente im Mont Terri Felslabor ermöglichen die Erforschung dieses Themenkomplexes durch geeignete Stimulation einer vorhandenen untergeordneten Störzone im lokalen Opalinuston, der sogenannten Main-Fault, auf einer räumlichen Skala im Dekameterbereich. Es besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem CS-D Experiment (CO2: Studying Caprock and Fault Sealing Integrity). Eine erste Fluidinjektion wurde im November 2020 mit einem anspruchsvollen Monitoringprogramm durchgeführt. Weitere Fluidinjektionen sind in der aktuellen Phase geplant. Die zu erwartenden Ergebnisse werden zum verbesserten Verständnis von Fluiden im Zusammenhang mit Reaktivierungen von Verwerfungen und dem hiermit verbundenen möglichen Auftreten von Erdbeben beitragen.

Partner: DOE, BGR, ENSI, ETH Zürich, IRSN, JAEA, swisstopo, TOTAL.

GC-A

Geomechanical in situ characterization of Opalinus Clay

Das GC-A Experiment ermittelt geomechanische und mineralogische Charakteristika des Opalinustons in Mont Terri und die Übertragbarkeit von gewonnenem Wissen auf potentielle Standorte im Tonstein.

Zu den Hauptaufgaben eines generischen Forschungslabors zählt zum einen die Entwicklung und Evaluierung von geowissenschaftlichen Untersuchungsmethoden auf denen die Suche nach einem potentiellen Tiefenlager für radioaktive Abfälle basiert, zum anderen die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf Regionen, die für die Endlagerung von Interesse sein werden.

Die lokalen Gegebenheiten im Mont Terri Felslabor ermöglichen die Erprobung von Methoden und die Durchführung von Studien unter Berücksichtigung der mineralogischen Variabilität der hier auftretenden Fazies. Die drei Schwerpunkte des GC-A Experiments liegen auf der Beobachtung der Entwicklung des Porendrucks und der Deformation in Abhängigkeit der Exkavierung, der Bestimmung der statischen und dynamischen Eigenschaften des Opalinustons in situ und im Labor sowie der Bewertung des Spannungsfeldes. Die Arbeiten werden durch numerische 3D-Modellierungen begleitet.

Partner: NAGRA, BGR, CHEVRON, NAGRA, NWMO.

GT

Evaluation of gas transport models and of the behaviour of clay rocks under gas pressure

Das GT-Experiment ermöglicht die Evaluierung von Modellen zum Gastransport in Tongesteinen; die Studien dienen sowohl dem grundlegenden Erkenntnisgewinn als auch zur Charakterisierung des Wirtsgesteins.

In einem Endlager entstehen bei der Korrosion von Metallcontainern, die Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle aufnehmen, Gase, die auf Grund der geringen Permeabilität der abschirmenden Umgebung zu einer signifikanten Druckerhöhung beitragen können. Hierdurch könnten neue Wegsamkeiten für Fluide, zum Beispiel durch das Aufbrechen des Wirtsgesteins, gebildet werden. Für die Erstellung eines geeigneten Sicherheitskonzepts ist ein umfassendes Verständnis der hydrologischen Situation zwingend. Derzeit besteht jedoch noch Forschungsbedarf zur Fluidbewegung. Letztere wird derzeit hauptsächlich durch vier Modelle beschrieben: Diffusion, viskokapillarer Fluss, Bewegung entlang dilatanter Wegsamkeiten oder Migration ermöglicht durch Makrobrüche.

Das GT-Experiment dient dem Verständnisgewinn der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Gasbewegung, wodurch eine realistischere Vorhersage ermöglicht wird. Die Studien zur Fluidmigration werden zuerst im analytischen Labor und danach in situ in Mont Terri durchgeführt und von ausgewählten Modellierungen begleitet.

Partner: ENSI, BASE, BGR, ETH Zürich, FANC, SCK CEN, in Kooperation mit BGS (Großbritannien).

HE-E

In situ heater test im VE (ventilation test) microtunnel

Das HE-E-Experiment trägt zum Verständnisgewinn von Gastransport und hydromechanischen Prozessen bei.

Bei der Einlagerung von wärmeproduzierenden radioaktiven Abfällen muss gewährleistet sein, dass die Temperaturerhöhung die Integrität der Rückhalteeigenschaften geotechnischer Barrieren nicht negativ beeinflusst. Besonderes Augenmerk muss hier auf die Anfangsphase, d. h. während und nach der Stilllegung, gelegt werden, in der die maximalen Temperaturen und Sättigungsänderungen auftreten werden.

Das im Maßstab 1:2 skalierte HE-E Experiment untersucht das Verhalten von Pufferzone und deren Abdichtungseigenschaften in einem horizontalen Mikro-Tunnel des Felslabors bei einer realistischen Temperaturänderung mittels Heizelementen. Im Besonderen wird das zeitliche Verhaltens des Verfüllungsmaterials, einem Sand-Bentonit-Gemisch und der umgebende Opalinuston unter thermisch-hydrologischen-mechanischen in situ Bedingungen analysiert. Basierend auf den experimentell gewonnenen, multidisziplinären Daten werden Computermodellierungen durchgeführt, die kontinuierlich verfeinert werden.

Partner: NAGRA, BGE, BGR, ENRESA, GRS, OBAYASHI.

HE-F

Gases and water-soluble organic compounds in Opalinus Clay at elevated temperatures and pressures

Das HE-F Experiment bearbeitet grundlegende Fragestellungen zu Freigabe und Transport von löslichen Komponenten im Porenwasser des Opalinustons mittels Laborversuchen unter definierten Temperatur- und Druckerhöhungen.

Die Wärmeproduktion radioaktiver Abfälle initiiert bzw. beeinflusst die im geologischen Untergrund ablaufenden dynamischen Prozesse und determiniert die Veränderungen der technischen Barrieren. Zusätzlich zur Wechselwirkung zwischen Temperatur, Hydrologie, Mechanik und Chemie besteht eine weitere Kopplung mit der Aktivität von Mikroorganismen. Dieser hochkomplexe Zusammenhang bedingt auch die zunehmende Aufmerksamkeit der Forschung an den durch Mikroorganismen veränderten Gesteins- und Fluideigenschaften.

Im HE-F-Experiment werden Arbeiten zum grundlegenden Prozessverständnis der Abläufe im Ton durchgeführt. So werden im analytischen Labor der BGR Gesteinsproben analysiert, die zuvor definierten Temperatur- und Druckänderungen ausgesetzten waren. Von speziellem Interesse ist hier, wie sich die Temperaturgeschichte in der Lösung von organischen Säuren im Porenwasser des Opalinstons abbildet. Hierzu werden die an den dynamischen, reaktiven Prozessen beteiligten Gase und organischen Komponenten identifiziert und quantifiziert sowie kinetische Daten ermittelt.

Partner: BGR, ANDRA, BGE, Helmholtz.

HS-A

Geochemical characterization of the Staffelegg Formation

Das HS-A Experiment trägt zur Bestimmung der hydrogeologischen Situation in Mont Terri bei, der Fokus liegt hier auf geochemischen Messungen in der neuen Bohrung BHS-1.

Um sich ein umfassendes Bild der hydrologischen Situation des Tongesteins machen zu können, werden Messungen sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Labors vorgenommen. Neben dem Opalinuston selbst werden die beiden ihn direkt benachbarten Aquifere in der Mont Terri Antiklinale in die Untersuchungen mit einbezogen.

Das HS-A Experiment (HS für Hydrological Survey) ergänzt die im HS Experiment außerhalb des Felslabors bereits gewonnen hydrologischen Daten der Mont Terri Antiklinale als auch die Ergebnisse aus vorangegangenen Experimenten zur Charakterisierung der Passwang Formation.

Zur Erschließung des unmittelbar unterhalb des Opalinustons gelegenen Aquifers (Staffelegg Formation) wird eine neue, 70 m tiefe Bohrung im nördlichen Teil des Felslabors in der Galerie 98 abgeteuft. In dieser BHS-1 genannten Bohrung werden umfangreiche Daten zur Geologie, Mineralogie, Lithographie und Biostratigraphie erfasst. Neben den direkt während des Bohrvorgangs gewonnenen Gesteinsproben werden zeitgleich Wasser- und Gasproben entnommen, die in den analytischen Laboren der Partner untersucht werden. Der obere, nicht wassergefüllte Bohrungsbereich wird mittels Mini-Seismik und Electrical Resistivity Tomography charakterisiert.

Partner: Helmholtz, BGR, RWM, swisstopo, in Kooperation mit BRGM (Frankreich), CHYN (Schweiz), CIEMAT (Spanien).

HT

Hydrogen transfer in Opalinus Clay

Der Schwerpunkt der Arbeiten im HT-Experiment besteht in der Evaluierung des mikrobiellen Wasserstoffabbaus und der Untersuchung der im Porenwasser ablaufenden chemischen Reaktionen in einem zirkulierenden Bohrloch.

Bei der Einlagerung von radioaktiven Stoffen in Metallcontainern und deren anschließender Korrosion kann es in der Anwesenheit von Bakterien zur Bildung von Wasserstoff und Methan kommen. Da die hieraus resultierenden reaktiven Prozesse und Druckerhöhungen eine Sicherheitsgefährdung bedeuten könnte, müssen die Abläufe zu ihrer Entstehung vollständig verstanden werden.

In Mont Terri wird hierfür ein Gaszirkulationsversuch durchgeführt, bei dem in einem ansteigenden Bohrloch kontinuierlich Wasserstoff zugeführt wird. Dieses HT-Experiment überwacht den Wasserstoff als auch die zu Anfang zugesetzten Tracer sowohl online als auch durch Probennahmen von Fluiden in der Zirkulation und im Sickerwasser. Die gewonnenen Daten zu Chemie und Mikrobiologie führen gemeinsam mit begleitenden Modellierungen zu einem Erkenntnisgewinn in den Themenbereichen Diffusionsprozesse von Wasserstoff, Porenwasserchemie und Einfluss mikrobieller Aktivität. In einer zweiten Phase wird isotopengekennzeichneter Wasserstoff in Form von Deuterium zugeführt, um die die Evolution der Wässer zu beobachten und die kinetischen Abläufe besser zu verstehen.

Partner: ANDRA, BGR, FANC, NMWO, RWM.

LT-A

Analysis of properties and physical processes of clay stones by laboratory tests

Im LT-A Experiment werden Laborversuche unter definierten Bedingungen durchgeführt, die zum Prozessverständnis und zur Bestimmung von mechanischen Tongesteinseigenschaften beitragen.

Die Entstehung von Opalinuston begann mit der Sedimentation vor 174 Millionen Jahren in einer Flachwasserzone und anschließender Verdichtung in Folge von zunehmendem Druck und Temperatur. Die resultierende Schichtung bedingt ein anisotropes Verhalten des im Vergleich zu vielen anderen Gesteinsarten sehr homogenen Materials bezüglich seiner mechanischen und hydraulischen Eigenschaften.

Im Labor der BGR wird das Verhalten von zylindrischen Gesteinsproben mit unterschiedlicher Orientierung in Bezug auf diese Schichtung untersucht. Die Ergebnisse von Triaxialtests in Kármánzellen nach unterschiedlichen Belastungs- und Entlastungszyklen geben Auskunft über das charakteristische Verhalten elastischer und inelastischer Gesteinsparameter des Opalinustons. Im Vordergrund stehen hier die Charakterisierung von Plastizität, Elastizitätsmodul, Dilatanzverhalten in Abhängigkeit von Lithologie, Anisotropie, Permeabilität und hydraulischen Gegebenheiten sowie das Studium von Deformationsmechanismen. Die gewonnenen Ergebnisse der oft über Monate laufenden Laborversuche fließen in die Evaluierung der Eignung von Tongestein als Wirtsgestein für radioaktive Abfälle ein.

Partner: BGR.

MA

Microbial activity in Opalinus Clay

Das MA-Experiment studiert die mikrobielle Aktivität sowohl im gestörten und ungestörten Gestein als auch im Porenwasser von Bohrlöchern und dient dem Verständnisgewinn der komplexen Prozesse in dieser Umgebung, nicht zuletzt auch zur Unterstützung für andere Experimente im Mont Terri Felslabor.

Arbeiten in einem Untertagelabor, wie zum Beispiel die Auffahrung von Galerien, die Installationen von Sensoren oder sonstige durch Messungen hervorgerufen Gesteinsstörungen, können einen Eintrag von Mikroorganismen zur Folge haben oder die Aktivität vorhandener Mikroorganismen beeinflussen. Die hierdurch resultierenden veränderten Redox-Bedingungen wiederum können verbunden sein mit Metallkorrosion, so dass es zu einer Erhöhung der Gasproduktion und somit des Drucks kommen kann. Um die Integrität eines Endlagers zu gewähren, müssen diese Prozesse verstanden und ggfs. optimiert werden.

Das MA-Experiment erforscht die Randbedingungen und Einflussfaktoren, welche die mikrobielle Aktivität im Opalinuston begünstigen. Durch die Analyse von Proben und kontrollierten Versuche im Bioreaktor wird die grundsätzliche Frage zur Bedeutung von Sulfaten in Bezug auf die Genese von Methan bearbeitet. Die Forschungsergebnisse finden Eingang in die Planung und Durchführung von anderen Experimente im Mont Terri Felslabor.

Partner: NAGRA, ANDRA, BGR, FANC, Helmholtz, NWMO, RWM.

MB-A

Mine-by test in sandy facies

Im MB-A Experiment wurde die Gelegenheit genutzt, die zeitliche Entwicklung von hydrologischen und mechanischen Parametern während der Auffahrung der neuen Galerie 18 im Nahfeld aufzuzeichnen und zur Charakterisierung der sandigen Fazies zu nutzen.

Die Auffahrung von Galerien und Nischen verändert die Gleichgewichtsbedingen eines Untertagelabors, in dem Gesteins- und Fluidmassen aus dem Untergrund ausgetragen bzw. deren Verteilungen verändert werden. Die Erfassung der zeitlichen Entwicklung trägt zur direkten Sicherheit eines Untertagelabors und zur Charakterisierung des Wirtsgesteins bei.

Vor der Exkavierung der Galerie 18 im Mont Terri Felslabor wurde im MB-A Experiment ein umfangreiches Überwachungskonzept realisiert, um die gekoppelten hydromechanischen Prozesse in der sandigen Fazies des Opalinustons zu beleuchten. Zu den gemessenen Parametern zählen Deformation, Spannung und Porendruck. Der erzielte Erkenntnisgewinn durch Analyse und Interpretation ist für die Erkundung und Sicherheit des Mont Terri Felslabors im Speziellen und für Standorte im Tongestein im Allgemeinen wichtig.

Partner: BGR, swisstopo.

MB-B

Simulation of the mine-by test 2018

Das MB-B Experiment widmet sich der Modellierung der dynamischen Prozesse während der Auffahrung der neuen Galerie 18.

Um die Sicherheit in einem Untertagelabor gewährleisten zu können, müssen die Auswirkungen des Baus von Galerien und Nischen verstanden werden. Geeignete Messungen und komplementierende Modellierungen der zeitlichen und räumlichen Veränderungen können somit zum Sicherheitskonzept als auch der Charakterisierung eines Felslabors beitragen.

Die im MB-A Experiment gewonnenen Messdaten bilden die Grundlage für computergestützte Simulationen, welche die durch die Auffahrung bedingten Veränderungen im Opalinuston nachbilden sollen. Die Modellierungen der relevanten thermisch-hydrologisch-mechanisch gekoppelte Prozesse dienen im Besonderen der Parameterbestimmung der sandigen Fazies im Mont Terri Felslabor und können bei der Erforschung vergleichbarer Standorten im Tongestein Verwendung finden.

Partner: BGR, GRS, swisstopo.

MR

Moisture detection using magnetic resonance

Im MR-Experiment wird die Kernspinresonanztomografie zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts im Opalinuston sowohl im Labor als auch in situ erprobt.

Feuchtigkeit zählt zu den wichtigsten Parametern welche die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften von Tongestein bestimmen. Der komplexe Zusammenhang beruht nicht zuletzt darauf, dass Wasser in unterschiedlicher Form und variierenden Anteilen im Untergrund vorkommt, als freies Wasser oder als im Gestein bzw. in den Kapillaren gebundenes Wasser. Zur Charakterisierung von Tongestein und zum Monitoring der Feuchtigkeit ist es notwendig, bestehende Ansätze zu verbessern und neue nicht-invasive Methoden zu entwickeln und ihre Anwendbarkeit zuverlässig zu demonstrieren.

Zur Differenzierung und Quantifizierung der unterschiedlichen Wasserfraktionen wird derzeit im Labor und in situ die Kernspinresonanztomographie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) weiterentwickelt. Zugrunde liegt hier die spezifische NMR-Antwort verschiedener Atome bzw. Moleküle, anhand derer die Wassersättigung des Opalinustons bestimmbar ist. Nach der erfolgreichen Anwendung dieser zerstörungsfreien Methode bei Tonsteinproben im Labor liegt der Fokus der Machbarkeitsstudie nun auf Charakterisierungen im geologischen Untergrund (underground Magnetic Resonance Sounding, MRS). Im Mont Terri Felslabor wird speziell der Bereich in unmittelbarer Nähe zur Tunnelwand mittels MRS erkundet, um die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften des Oplinustons in Abhängigkeit der Wassersättigung zu erkunden.

Partner: BGR.

PC-D

Porewater gas-characterisation methods – field and laboratory methods comparison

Im PC-D Experiment werden mittels in situ- und Laborarbeiten Methoden zur Charakterisierung von reaktiven Gasen und Edelgasen verglichen, um verbesserte Aussagen zu Fluidmigration, Fluidgenese und Interaktion mit Grundwasser treffen zu können.

Um ein geologisches Tiefenlager für radioaktive Abfälle zu charakterisieren und seine Sicherheit beurteilen zu können, ist ein umfassendes Verständnis der hydraulischen Situation zwingend. Einen signifikanten Beitrag können hier zum Beispiel die im gebundenen und freien Wasser enthaltenen Gaskonzentrationen und deren isotopische Signaturen leisten, indem sie Auskunft geben über Herkunft, Alter, Genese und Evolution der Fluide. Diese Erkenntnisse wiederum geben Hinweise auf potentielle Migrationswege und Aussagen zu eventuellen Kontakten mit Grundwässern.

Zur Extraktion von Gasen aus Gesteinen gibt es eine Vielzahl diverser Methoden, die auch in den vergangenen zwei Dekaden bereits im Mont Terri Felslabor Anwendung fanden. Auf den gewonnenen Ergebnissen baut das neue PC-D Experiment auf, dessen Fokus im Methodenvergleich zur Gasextraktion auf der tonigen Fazies (shaly facies) im Opalinuston liegt. Hierzu sind weiterführende in situ-Studien im Felslabor geplant. Komplementiert durch eine Literaturstudie wird der aktualisierte Wissensstand mit experimentellen Daten verglichen, welche anhand von geeignetem Kernmaterial im Labor erzielt werden. Das Mont Terri Projekt bietet mit seinen erprobten, umfangreichen geowissenschaftlichen Forschungsansätzen zudem die Möglichkeit, die aufwendigen Studien zur Gasextraktion mit andersartigen, ggfs. alternativen oder neu zu entwickelnden geowissenschaftlichen Untersuchungen auf Machbarkeit und Effizienz zu evaluieren und eventuell zu ersetzen.

Partner: NWMO, BASE, BGR, RWM, in Kooperation mit Hydroisotop (Deutschland), University of Ottawa (beide Kanada).

PF

Progressive evolution of structurally controlled overbreaks

Im PF Experiment wird die Entwicklung von Ausbrüchen in Folge einer Exkavierung unter in situ Bedingungen in einem 1:5 skalierten Versuch analysiert.

Es ist bekannt, dass durch die Exkavierung eines Tunnels bzw. die Abteufung einer Bohrung Gesteinsausbrüche in der unmittelbaren Umgebung des neu entstandenen Hohlraums entstehen. Die Ausformung und die Entwicklung dieser Ausbrüche, die nicht zuletzt bei der Konstruktion eines Endlagers von großer Bedeutung sind im Hinblick auf Sicherheit, Raumbedarf und finanziellem Aufwand, wurden bisher jedoch nur wenig untersucht. Zur Komplexität des Ausbruchsverhaltens tragen sowohl das eventuelle Vorhandensein von im Vorfeld nicht vollständig prognostizierbaren tektonischen Verwerfungen in der Umgebung einer Exkavierung als auch eine mögliche Selbstheilung des Gesteins bei.

Der Fokus des PF Experiments liegt auf dem Gesteinsversagen und einer anschließenden Abdichtung. Es umfasst numerische Modellierungen und einen in situ Versuch, bestehend aus einem horizontalen, unbefestigten Bohrloch, über dem sich sechs weitere Bohrungen befinden. Die gewählte Geometrie ermöglicht die Durchführung von umfangreichen Charakterisierungen und Verhaltensbeobachtungen des Gesteins in unmittelbarer Umgebung entlang der Bohrungen als auch in deren Zwischenbereich durch den Einsatz von Crosshole-Methoden.

Partner: ENSI, BGR, ETH Zürich, swisstopo.

RI

Response investigation of Ga18

Die im Zusammenhang der Exkavierung der Gallerie 18 aufgezeichneten Antwortsignale verschiedenster Sensoren werden im RI-Experiment zusammengeführt und interpretiert.

Exkavierungen von Galerien und Nischen beeinflussen das Gleichgewicht der hydrologischen und geomechanischen Situation eines Felslabors auf unterschiedlichen räunlichen und zeitlichen Skalen. Die durch Auffahrungen hervorgerufenen gekoppelten Änderungen sind beispielsweise in Porendruck, Gesteinsdeformation und Feuchte feststellbar. Das Verständnis dieser Abhängigkeiten bietet die Möglichkeit durch Auffahrungen verursachte Störungen auf ein Untertagelabor zu beeinflussen und zu minimieren.

Die Erweiterung des Mont Terri Felslabors durch die Exkavierung der Galerie 18 wurde im Nahfeld explizit durch das Mine-By Experiment beobachtet. Zusätzlich hierzu wurde die Exkavierung auch im Fernfeld durch Sensoren unterschiedlichster Art registriert, die in andere Mont Terri Experimente eingebunden sind. So wurden zum Beispiel Porendruckänderungen in einem Bohrloch des FE-Experiments im kurzen zeitlichen Abstand beobachtet und sowohl instantane als auch langfristige Deformationen mittels Glasfaseroptik und Neigungsmessern detektiert. Die Vielzahl von Antwortsignalen unterschiedlichster Parameter, lokalisiert innerhalb einer Umgebung von circa 100 m Abstand zur neuen Galerie bietet eine umfassende Datenbasis um Studien durchzuführen, die zu einem tieferen Verständnis des Zusammenhangs zwischen einem bestehendem Felslabor, lokal anzutreffender Geologie und temporären Bauarbeiten führen.

Partner: NAGRA, ANDRA, BGR, GRS, swisstopo.

SB-A

Borehole sealing experiment

Im SB-A Experiment werden Methoden und Materialien in Bezug auf ihr Abdichtungsverhalten von Verfüllungsräumen und ihr Einfluss auf die Stabilität von Bohrlöchern getestet.

Bohrungen sind bei der Charakterisierung und Erstellung eines Endlagers offenkundig unverzichtbar. Ein Nachteil besteht allerdings in der Beeinträchtigung des intakten Wirtsgesteins durch den Bohrvorgang selbst, die Wegnahme von Gesteinsmaterial, sowie die anschließende Konvergenz bzw. ggfs. die Verfüllung mit Fremdmaterial. Diese Veränderungen können die Abdichtungseigenschaften negativ beeinflussen.

Um einerseits die Güte des Abdichtungsverhaltens von Bohrlöchern besser beurteilen zu können als auch andererseits die Stabilität unterschiedlicher Materialien zur Abdichtung zu evaluieren, werden im Mont Terri Felslabor drei neue horizontale Bohrlöcher abgeteuft. Von besonderem Interesse ist hierbei die Resaturierung im verfüllten Bohrloch und die durch den Eingriff langzeitlich veränderte Permeabilität des Gesamtsystems bestehend aus Verfüllungsmaterial, Bohrloch und der durch die Bohrung beeinflussten Zone. Die Ergebnisse der in situ-Studien mittels Messungen zu Permeabilität, relative Feuchte, Wassergehalt und Druck werden mit Labortests und numerischen Simulationen verglichen.

Partner: BGR.

SM-C

Permanent nanoseismic monitoring

Im SM-C Experiment werden hochpräzise Nachweismethoden eingesetzt, die dem Langzeit-Monitoring von lokalen seismischen Ereignissen dienen.

Die genaue Erfassung seismischer Ereignisse in der unmittelbaren Umgebung von potentiellen Endlagerstandorten ist nicht zuletzt im Zusammenhang von lokalen aktiven Verwerfungen für das Verständins der Gesamtsituation und der Sicherheitsbeurteilung von imminenter Bedeutung.

Um eine ausreichende Datenlage zur Kalibrierung der Magnitudenbestimmung und zur Bewertung der seismischen Situation lokal in Mont Terri zu gewährleisten, wurde im SM-C Experiment ein permanentes seismisches Netz aufgebaut. Die Seismometerstationen werden komplementiert durch eine uniaxiale, 50 m lange Schlauchwaage und das im Aufbau befindliche Array aus hochpräzisen, biaxialen Neigungsinstrumenten, das eine geeignete räumliche Überdeckung ermöglicht. Die beiden angeführten Ansätze registrieren sowohl teleseismische wie lokale Erdbeben und dienen der Überwachung und Interpretation der Deformation auf Zeitskalen von mehreren Jahren.

Partner: swisstopo, BGR, NWMO, in Kooperation mit Edi Meier + Partner (Schweiz).

SW-A

Large-scale sandwich seal experiment

Das SW-A Experiment testet ein neuartiges Konzept, bestehend aus einer Abfolge unterschiedlich permeabler Schichten, um die Abdichtung geotechnischer Barrieren zu optimieren.

Zur sicheren Einlagerung radioaktiver Materialien im geologischen Untergrund ist eine Abdichtung gegenüber der Umwelt außerhalb des Endlagers über geologische Zeiträume zwingend. Dementsprechend wird neben der Wirksamkeit der Abschirmung unterschiedlicher Wirtsgesteine zusätzlich die Funktionalität geotechnischer Barrieren getestet. Ein Fokus liegt hier auf der Radionuklidmigration durch Fluidtransport.

Um den Sättigungprozess und die thermische Entwicklung in der Umgebung des eingelagerten radioaktiven Abfalls zu optimieren, wird im Mont Terri Felslabor eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, die eine Abdichtung bestehend aus Lagen von hochleitendem Material alternierend mit abdichtenden Schichten erprobt. Die Realisierung dieses vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten Sandwich Seal Systems wird derzeit in einer Nische der neuen Galerie 18 im Maßstab 1:1 in zwei Schächten umgesetzt. Ein umfangreiches Monitoringprogramm wird die zeitliche Änderung von Sättigung, Porendruck, Spannung und Deformation in dieser Sicherheitsuntersuchung begleiten.

Partner: GRS, BGR, ENRESA, ENSI, NWMO, RWM, swisstopo, in Kooperation mit CMM-KIT (Deutschland).

VR

Virtual URL combining experiments and models

Im VR-Experiment werden die Möglichkeiten der virtuellen Realität ausgenutzt, um die im Mont Terri Felslabor gewonnenen umfangreichen Messdaten übersichtlicher darzustellen und die vorhandenen Informationen besser nutzen zu können.

Für die Charakterisierung eines Standortes ist die Erfassung umfangreicher, interdisziplinärer Datensätze notwendig, die sowohl aus zeitlichen als auch räumlichen Messdaten unterschiedlichster Parameter bestehen. Um den Zugriff auf diese äußerst heterogenen Informationen des Untergrundlabors zu optimieren, ist eine computergestützte visuelle Darstellung in einer dreidimensionalen, interaktiven Umgebung hilfreich. Mit Hilfe dieser virtuellen Realität können somit digitale Inhalte anschaulich vermittelt und Zusammenhänge mit einer zusätzlichen Methode neu hergestellt werden.

Das Mont Terri Felslabor stellt auf Grund seiner langjährigen, vielzähligen, multidisziplinären Untersuchungen einen perfekten Kandidaten für die Erprobung und Umsetzung eines Virtual Reality Systems. Demzufolge werden im VR-Experiment experimentell gewonnenen Daten aus insitu- und Laborversuchen mit numerischen Modellen in einer virtuellen Realität des Untergrundlabors zusammengeführt. Das Ziel dieser Plattform besteht darin, ein integrales Informationssystem für das Mont Terri Felslabor zu erstellen, welches allen Konsortialpartnern zur Verfügung stehen wird. Es wird erwartet, dass die Integration der unterschiedlichsten Erkenntnisse zu einer vereinfachten und umfangreicheren Ausschöpfung vorhandener und neuer Daten führen wird.

Partner: Helmholtz, alle Partner.