Alexander Schwardt

TÜV NORD EnSys GmbH & Co. KG Am TÜV 1, 30519 Hannover aschwardt@tuev-nord.de

Wolfgang Botsch, Helge Wolter

TÜV NORD EnSys GmbH & Co. KG Am TÜV 1, 30519 Hannover

Zusammenfassung

Im Zusammenhang mit dem Rückbau von Kernkraftwerken fallen erhebliche Mengen an radioaktiven Abfällen an, von denen ein Großteil für eine Freigabe zur Entsorgung auf Deponien zugelassen sein kann, wenn die Deponierung das sogenannte 10-µSv/a-Konzept nicht überschreitet. Für die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzept ist die Betrachtung des Grundwasserpfads unerlässlich. Wir haben eine Software entwickelt, die die Berechnung der Exposition der Bevölkerung über den Grundwasserpfad aufgrund der Deponierung freigegebener Stoffe ermöglicht. Diese Software basiert auf den Berechnungsgrundlagen der Strahlenschutzkommission (SSK) und ermöglicht darüber hinaus die Berücksichtigung von deponiespezifischen und hydrogeologischen Parametern am Standort. Unsere Erfahrungen zeigen, dass die Modellannahmen der SSK selten die Realität abbilden und vermeintlich geringe Abweichungen von den Modellannahmen zu einer eheblichen Überschreitung des 10-µSv/a- Konzeptes führen können, sodass eine individuelle Berechnung der potentiellen Exposition in der Regel unausweichlich ist.

KEYWORDS

Grundwasser, Deponie, Freigabe, 10-µSv-Konzept, Numerische Modellierung

EINLEITUNG

Spezifische Freigabe

Der Rückbau von Kernkraftwerken generiert erhebliche Mengen an radioaktiven Abfällen, von denen ein beträchtlicher Anteil unter bestimmten Voraussetzungen und bei einer geringen Aktivität für eine Freigabe zur Entsorgung auf Deponien zugelassen wird [1]. Grundlage für die spezifische Freigabe von festen Stoffen zur Beseitigung auf Deponien ist in Deutschland die Strahlenschutzverordnung [1] mit den dort angegebenen nuklidspezifischen Freigabewerten für verschiedene Freigabearten. Diese Freigabewerte beruhen auf der Empfehlung der Strahlenschutzkommission (SSK) „Freigabe zur Beseitigung“ [2], die wiederum auf dem „de minimis-Konzept“ der International Atomic Energy Agency (IAEA) [3] basiert. Danach kann eine Entlassung aus der strahlenschutzrechtlichen Überwachung (Freigabe) verantwortet werden, wenn die Freigabe höchstens zu einer Strahlenexposition für die Bevölkerung im Bereich von 10 µSv führt (10-µSv/a-Konzept). Dieser Wert liegt weit unterhalb der Dosiswerte durch natürliche Strahlenexposition, die beispielsweise in Deutschland im Durchschnitt bei 2100 µSv/a liegen [4], und wird daher als unbedenklich eingeordnet.

Modell zur Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts

Für die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts für die Bevölkerung werden verschiedene Expositionsszenarien betrachtet, die Arbeitsabläufe auf der Deponie sowie Nuklidausbreitung über den Oberflächenwasserpfad und den Grundwasserpfad umfassen [2]. Die Ermittlung der Exposition infolge der Nuklidausbreitung über den Grundwasserpfad ist dabei aufgrund des Ausbreitungspfads durch mehrere Kompartimente komplex (Abb. 1). Der Ausbreitungspfad umfasst die Versickerung von Niederschlag durch die Kompartimente Deponiekörper, geologische Barriere und ggf. vorkommende ungesättigte Schichten in den Grundwasserleiter und darauf folgend die Ausbreitung innerhalb des Grundwasserleiters zu einem Brunnen. Dabei stellen die unterschiedlichen und zeitich verändernden Randbedingungen (z. B. Ablagerungsort, -zeitpunkte- und -massen), die elementspezifische Rückhaltung (Kd-Wert Ansatz), radioaktiver Zerfall und möglicherweise entstehende radioaktive Tochternuklide sowie die verschiedene Transportprozesse im Sicker- und Grundwasser (Advektion, Diffusion, hydromechanische Dispersion) eine Herausforderung für die Berechnung der Individualdosis für die Bevölkerung dar. Das Zusammenspiel dieser Randbedingungen und Prozesse lässt sich durch analytische Formeln nicht hinreichend beschreiben, sodass für die Berechnung der Ausbreitung der radioaktiven Stoffe ein orts- und zeitaufgelöstes numerisches Verfahren benötigt wird.

Die SSK hat in diesem Zusammenhang Modellannahmen zu Deponien und dem darunter liegenden Grundwasser formuliert [2], deren Erfüllung die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts gewährleisten soll. Diese Modellannahmen umfassen unter anderem Parameter zur Deponie (u. a. Fläche und Höhe, Dichte des Materials, Porenraum, jährliche Abalgerungsmassen), zum anfallenden Sickerwasser (Neubildung während des Betriebs und darüber hinaus), zur Basisabdichtung (Mächtigkeit, hydraulische Durchlässigkeit) und zum Grundwasserleiter (Mächtigkeit, Porenraum, Darcy-Geschwindigkeit, Transportstrecke zum Brunnen). In der Realität weichen die Bedingungen an Deponiestandorten jedoch meistens von diesen Modellannahmen ab, was eine pauschale Aussage zur Einhaltung des 10-µSv/a- Konzepts in der Regel verhindert. Daraus resultiert die Notwendigkeit, die potenzielle Exposition für die Bevölkerung unter den individuell vorliegenden Randbedingungen zu berechnen. Hierfür haben wir eine Software entwickelt, welche die Randbedingungen und Prozesse der SSK-Empfehlung berücksichtigt und mit welcher darüber hinaus verschiedene Geometrien der Deponie und der standortabhängigen hydrogeologischen Situation sowie Transportprozesse wie Diffusion und Dispersion berücksichtigt werden können.

Anhand von Beispielberechnungen mit unserer Software zeigen wir, welche Grundwasserpfad- relevanten Parameter aus der SSK-Empfehlung im Hinblick auf die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts sensibel sind und erläutern die Möglichkeit, über die Modellannahmen hinausgehende Prozesse und Begebenheiten zu berücksichtigen

Methodik

Berechnungsprogramm für den Grundwasserpfad

Unsere Software ist so aufgebaut, dass in jedem Kompartiment (Deponiekörper, geologische Barriere, Bodenschichten, Grundwasserleiter) (Abb. 1) der Radionuklidtransport unter Berücksichtigung der Transportprozesse und des radioaktiven Zerfalls inklusive der Bildung von Tochternukliden separat berechnet und die errechnete Aktivität von einem Kompartiment ins nächste übergeben wird. Dies erlaubt eine hohe Variabilität im Hinblick auf die Standortgegebenheiten und ermöglicht es, einen heterogenen Schichtaufbau mit örtlich variablen Parametern zu definieren. So können zum Beispiel unterschiedliche Schichten des Deponiekörpers und des Grundwasserleiters mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten oder Sorptionseigenschaften modelliert werden, sodass eine realitätsnahe Ausbreitung von Radionukliden prognostiziert werden kann. Weiterhin erlaubt der Aufbau des Programms einzelne Bereiche der Deponie separat zu betrachten wie z. B. nur den Deponiekörper, wodurch die Aktivität im Wasser von Drainageleitungen berechnet werden kann. So werden mit unserem Programm auch Aktivitäten für die Expositionsszenarien im Zusammenhang mit der Nuklidausbreitung über den Oberflächenwasserpfad ermittelt. Auf Basis der berechneten Aktivitätskonzentration im Sickerwasser oder Grundwasser kann folgend mithilfe von Dosiskonversionsfaktoren die Individualdosis für die Bevölkerung ermittelt werden.

Als Erweiterung des Modells aus der SSK-Empfehlung [4] können wir in unserem Programm für den Radionuklidtransport die über das simple Modell des advektiven Transports hinausgehend komplexeren aber realistischeren Transportprozesse Diffusion und hydromechanische Dispersion (zusammengefasst bezeichnet als hydrodynamische Dispersion) berücksichtigen. Diese Prozesse führen zu einem Ausgleich von Konzentrationsgradienten und damit zu einer Verschmierung der Aktivitätsfront, was eine verzögerte Ankunft von maximalen Aktivitäten am Brunnen zur Folge hat (Abb. 2). Aufgrund des radioaktiven Zerfalls sind so die Maximalwerte der Aktivitäten geringer als bei einem rein advektiven Transport. In dieser Hinsicht ist unser Modell zwar weniger konservativ als das Modell der SSK-Empfehlung, entspricht aber gängiger Praxis und dem Stand von Wissenschaft und Technik im Bereich der Geohydromodellierung [5]. Die Berücksichtigung der hydrodynamischen Dispersion verringert zudem den Effekt der durch unter bestimmten Umständen auftretenden numerischen Dispersion und erhöht somit die Belastbarkeit der Ergebnisse.

Ergebnisse

Sensitivität der Modellannahmen gegenüber des 10-µSv/a-Konzepts

In dem SSK-Modell [2] wurde eine Vielzahl von Parametern für die Deponie und den Grundwasserleiter festgelegt. Die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts ist nur dann gegeben, wenn alle definierten Parameter eingehalten werden, da jegliche Abweichungen von den Modellparametern zu einer Überschreitung des 10-µSv/a-Konzepts führen können. Ein Beispiel hierfür ist die Reduzierung der Mächtigkeit des bestehenden Deponiekörpers oder des Grundwasserleiters unter ansonsten gleichbleibenden Bedingungen. Im Falle von C-14 kann dies, unter Zugrundelegung der Freigabewerte, zu einer Verdreifachung der resultierenden Dosis für die Bevölkerung (Abb. 3) und somit zu einer Überschreitung des 10-µSv/a-Konzepts führen.

Unsere Erfahrungen mit von uns bereits betrachteten Deponiestandorten haben gezeigt, dass bei Abweichungen von den Modellannahmen der SSK-Empfehlung unter Anwendung der Freigabegrenzen, die in der Strahlenschutzverordnung [1] für die zur Deponierung vorgesehen Reststoffe festgelegt sind, eine Überschreitung des 10-µSv/a-Konzepts um mehr als das 1000-fache möglich ist. Ein wesentlicher Grund für diese hohe Überschreitung des 10-µSv/a-Konzepts in diesem Beispiel ist die Abweichungen der deponiespezifischen Parameter zu den Modellannahmen (z. B. Fläche, jährliche Ablagerungsmasse, Porenraum). Dies betont die Sensitivität des SSK-Modells gegenüber Veränderungen in den festgelegten Parametern und unterstreicht die Notwendigkeit einer genauen, standortabhängigen Betrachtung, um die Einhaltung des 10-µSv/a-Konzepts sicherzustellen.

SCHLUSSFOLGERUNG

Wir haben ein Tool geschaffen, mit dem wir die Aktivität von Radionukliden im Grundwasser unter Berücksichtigung aller wesentlicher Randbedingungen und Prozesse realistisch berechnen können. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise ermöglicht präzise Vorhersagen über die potenzielle Exposition der Bevölkerung durch freigegebene Stoffe auf Deponien. Damit sind wir in der Lage, die Eignung von Deponien zu bestätigen, die Möglichkeit der Ablagerung von freigegebenen Materialien auf Deponien aufzuzeigen und den Schutz der Bevölkerung sowie die Planungssicherheit für Kraftwerksbetreiber in Zusammenhang mit der Endlagerung von Abfällen aus dem Rückbau von kerntechnsichen Anlagen zu unterstützen.

REFERENCES

• Strahlenschutzverordnung – StrlSchV, „Verordnung zum Schutz vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung“ Strahlenschutzverordnung vom November 2018 (BGBI, I S. 2034, 2036; 2021 I S. 5261), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 10. Januar 2024 (BGBl.

2024 I Nr. 8) geändert worden ist (2018)

• Strahlenschutzkommission, „Freigabe von Stoffen zur Beseitigung – Empfehlung der Strahlenschutzkommission“ Berichte der SSK, Heft 54, 2007, verabschiedet in der Sitzung der SSK am 05./06.12.2006 BAnz Nr. 113a (2007)
• International Atomic Energy Agency (IAEA), “Principles for the exemption of radiation sources and practices from regulatory control”, Safety Series, 89, (1988)
• Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), „Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung im Jahr 2016“ : Unterrichtung durch die Bundesregierung, Parlamentsbericht 2016, (2018)
• Kumar, Manoj, and Anunay „Novel approach to groundwater contaminant transport modelling.“ J. Univ. Shanghai Sci. Technol. 23 281-292. (2021):

ACKNOWLEDGEMENTS

Wir möchten uns bei Tobias Braun (TÜV NORD EnSys GmbH & Co. KG) bedanken, der die Entwicklung

und Qualifizierung der Software „GWP“ durchgeführt hat.