Im interdisziplinären Projekt iCROSS werden Forschungskompetenzen von Wissenschaftlern der Helmholtz-Institute mit den Themen Nuklearwissenschaften, Geowissenschaften, Biowissenschaften und Umweltsimulationen in einer die Forschungsbereiche Energie sowie Erde und Umwelt übergreifenden Zusammenarbeit kombiniert. Der Fokus richtet sich darauf, realitätsnahe Langzeitentwicklungspfade von Endlagern für radioaktive Abfälle von der Nano- bis zur Endlagerskala zu verstehen und auszuwerten.

Das Projekt ist unterteilt in Arbeitspakete zu Laborstudien, Feldexperimenten in unterirdischen Forschungslaboren (URL), fortgeschrittenen Modellierungsstudien und der Integration sowie der Ausrichtung von Daten und Informationen unter Verwendung von Methoden der virtuellen Realität. In diesem Sinne zielt die Projektstruktur auf eine ganzheitliche Sicht auf relevante Prozesse über Skalen hinweg ab, um potenzielle Entwicklungen von Endlagern umfassend zu simulieren.

Innerhalb des Multi-Barrieren-Systems eines Endlagers für wärmeerzeugende radioaktive Abfälle laufen eine Reihe komplexer Reaktionen, einschließlich Zerfallsreaktionen, Redoxreaktionen, biochemischer Reaktionen, Gasentwicklung und Fest-Flüssig-Grenzflächen- sowie (Ko-)Präzipitationsreaktionen ab. Gleichzeitig haben thermische und externe mechanische Belastungen einen Einfluss auf die Bedingungen in einem geologischen Tiefenlager. Sämtliche dieser Prozesse sind eng miteinander verbunden – mit multiplen Interdependenzen auf verschiedenen Ebenen – und haben einen großen Einfluss auf die Radionuklidmobilität und -retention. In den vergangenen Jahren wurden wesentliche Fortschritte bei der Beschreibung gekoppelter Prozesse in numerischen Simulationen erzielt. Eine realistische Beschreibung dieser gekoppelten Prozesse auf unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine großenteils ungelöste wissenschaftliche und rechnerische Herausforderung. Die enge Interaktion von Experimentier- und Simulationsteams zielt auf eine genauere Quantifizierung und Beurteilung von Prozessen ab und somit auf die Verminderung von Ungewissheiten und von konservativen Annahmen und schließlich auf eine realitätsnahe Wahrnehmung der Entwicklung des Endlagers.

Ein Fokus von iCROSS richtet sich auf relevante Prozesse in einem Tongestein-Endlager. In diesem Zusammenhang wurden die Verbundpartner Vollmitglied des internationalen Mont-Terri-Konsortiums und arbeiten in enger Kooperation mit internationalen und deutschen Institutionen in dem URL-Projekt zusammen. Die entsprechenden Experimente befassen sich insbesondere mit gekoppelten Prozessen an den reaktiven Grenzflächen im Nahfeld eines Endlagers (z. B. die Stahl-Bentonit- und Bentonit-Beton-Grenzflächen). Innerhalb von iCROSS werden die Auswirkungen der Sekundärphasenbildung auf den Radionuklidtransport untersucht. Im Mont-Terri-Labor befinden sich Experimente in Vorbereitung, um Radionuklidtransportphänomene in Tongesteinsformationen innerhalb von Temperaturgradienten und angesichts erheblicher Heterogenitäten in unterschiedlichen Maßstäben (nm bis cm) zu untersuchen. Neben diesen Untersuchungen werden hochauflösende Untersuchungsmethoden für die Gesteinscharakterisierung entwickelt und geprüft, und die Auswirkungen von Temperatur und anderen Randbedingungen auf die Festigkeit, Kriecheigenschaften und Heilung von Verwerfungen innerhalb von Opalinus-Ton werden quantifiziert. Multiphysikalische Modelle in Kombination mit reaktiver Transportsimulation werden weiterentwickelt und in Labor- sowie Feldexperimenten eingesetzt. Die Ergebnisse werden digital ausgewertet, um das Verständnis gekoppelter Prozesse in Endlagersystemen skalenübergreifend zu verbessern.

Verbundpartner:

• Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ, Koordinator)
• Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)
• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ)

Projektlaufzeit: 1.7.2018-31.3.2022

Förderung: Diese Forschung wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF. Projektnummer 02NUK053D) und die Helmholtz-Gemeinschaft (Projektnummer SO-093) gefördert.