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Verschlussbauwerke sind für die untertägige Endlagerung im Salzgestein als eine wichtige technische Barriere vorgesehen. Diese Bauwerke müssen hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität genügen, weshalb im Projekt SealWasteSafe Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke verbessert werden. Dabei zeigen die untersuchten alkaliaktivierten Materialien (AAM) langsamere Reaktionskinetik bei der Erhärtung im Vergleich zu Salzbeton, was potenziell geringere Rissbildung erwarten lässt. Die Erhärtung wird an Probekörpern (100-300 l) multisensorisch über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen überwacht. Die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit werden einerseits kabelgebunden, andererseits mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Die Überwachung zeigt verschiedene Charakteristika beim Erhärten der Materialien mit geringerer Temperaturentwicklung des AAM. Zusätzlich werden Ultraschallmessungen genutzt, um Einbauteile und Störstellen wie Risse und Delaminationen im Rahmen der Qualitätssicherung am Probekörper und am Verschlussbauwerk zu detektieren. Dafür werden sowohl ein Ultraschallmesssystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Schallfeldbündelung im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen zeigt das große Potenzial der Methode mit Eindringtiefen bis zu 9 m, wobei anspruchsvolle Abbildungsverfahren zu einer verbesserten Abbildung der internen Strukturen führen. Insgesamt verbessern die im Projekt SealWasteSafe entwickelten Materialien und Methoden die Möglichkeiten für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager. Obwohl die Konzepte speziell für Bauwerke im Salzgestein entwickelt werden, sind sie partiell gut auf andere Wirtsgesteine übertragbar.
Zerstörungsfreie Prüfmethoden für Verschlussbauwerke nuklearer Endlager im Projekt SealWasteSafe
(2022)
Für die sichere Einlagerung von radioaktiven oder toxischen Abfällen kommen im Salzgestein technische Barrieren in Form von untertägigen Verschlussbauwerken zum Einsatz. Aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität dieser Verschlussbauwerke werden umfangreiche zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Überwachung und Qualitätssicherung verwendet. Im BAM-Projekt SealWasteSafe werden Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke in Endlagern verbessert. Dabei wird der bisherige Salzbeton mit dem innovativen alkaliaktivierten Material (AAM) mit langsamerer Reaktionskinetik bei der Erhärtung und somit potenziell geringerer Rissbildung verglichen. Im Labormaßstab werden Probekörper mit Volumina von 100-300 l multisensorisch ausgestattet und somit die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der Sensoren gegenüber der hochalkalischen Umgebung nachgewiesen. Durch das Monitoring wird der Abbindevorgang des Betons überwacht und die Materialien über einen Zeitraum von mehreren Wochen charakterisiert. Dabei werden die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit einerseits verkabelt als auch mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessung mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Das multisensorische Überwachungssystem wird durch aktive Ultraschallmessungen ergänzt, die durch die Detektion von Rissen, Delaminationen oder anderen Störstellen eine Qualitätssicherung der Verschlussbauwerke ermöglichen. Dafür werden sowohl ein Ultraschallsystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Bündelung der Schallsignale im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen erfolgt mit auf Diffraktionssummation beruhenden Migrationsverfahren wie Kirchhoff-Tiefenmigration und Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), die Abbildungen vom Inneren der Probekörper erzeugen. Insgesamt verbessert das Projekt SealWasteSafe mithilfe innovativer Multisensorik und Ultraschallmethodik die Überwachungs- und Qualitätssicherungskonzepte für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager.
Für die sichere Endlagerung nuklearer Abfälle sind im Salzgestein Verschlussbauwerke aus Salzbeton als geotechnischen Barrieren vorgesehen. Um die Integrität der Bauwerke im Rahmen einer Qualitätssicherung nachzuweisen, eignet sich eine zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit Ultraschall-Verfahren. Potenziell auftretende Risse oder Ablösungen sowie Einbauteile können detektiert werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen der Ultraschall-Echo-Messungen sowie der Auswertemethoden zu untersuchen, wurden in einem aus Spritzbeton hergestellten Testbauwerk in der Grube Teutschenthal (bei Halle, Deutschland) verschiedene Störkörper während der Betonage eingebettet. Die Störkörper (Breite 3 cm bis ~8 cm) liegen in Tiefen von etwa 30 cm bis 80 cm und repräsentieren Hohlräume, Risse oder Inhomogenitäten des Betons. Von der Oberfläche führten wir Ultraschall-Echo-Messungen auf einer Fläche von etwa 100x150 cm² in einem 3D Modus durch. Die Auswertung erfolgte zunächst mithilfe der in der ZfP etablierten Synthetic-Aperture-Focusing Technique (SAFT), die der Kirchhoff Migration ähnelt. Insgesamt wird eine Vielzahl von Reflektoren im Bauwerk abgebildet, die jedoch nur in wenigen Fällen den eingebauten Störkörpern zugeordnet werden konnten, so dass auch die Grenzen des Verfahrens bei dieser Bauweise deutlich werden. Allerdings konnte eine ungeplante großflächige (>30 cm) Ablösung nachgewiesen und durch anschließende Bohrungen verifiziert werden. Um das strukturelle Abbild des Bauwerksinneren trotz des stark streuenden Spritzbetons zu verbessern, wenden wir fokussierende Migrationsverfahren an. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine klarere Abbildung einzelner Reflektoren erreicht werden kann. Dies erleichtert die Detektion einzelner Objekte. Das hier präsentierte Experiment mit bekannten Reflektoren unter realen Bedingungen mit Spritzbeton unter Tage bietet hervorragende Möglichkeiten zur Überprüfung von methodischen Weiterentwicklungen im Bereich der Ultraschallanalyse. Durch die Verbesserung der Auswertemethodik und der darauf basierenden ultraschallbasierten Qualitätssicherungskonzepte werden insgesamt sicherere Verschlussbauwerke für nukleare Endlager ermöglicht.
Im Rahmen des Seminars "Angewandte Forschungsthemen (SAFT)" am Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel werden verschiedene geophysikalische Methoden vorgestellt, die bei der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen zum Einsatz kommen. Neben einem Überblick der Arbeiten an der BAM im Allgemeinen und dem Fachbereich im Besonderen geht es vor allem um den Einsatz von Ultraschallmethoden. Drei wesentliche Schwerpunkte werden dabei beleuchtet:
1) (Geophysikalische) Antworten auf Herausforderungen bei Ultraschall-Anwendungen
2) Material research and multi-sensory monitoring for concrete sealing structures in rock salt unterground repositories (Projekt SealWasteSafe)
und 3) Untersuchung von Spritzbeton-Probekörpern unter Tage mit Ultraschall zur Qualitätssicherung von Verschlussbauwerken.
Insgesamt werden diverse Möglichkeiten für die Geophysik für Forschung und Studierende im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen aufgezeigt.