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Modellierung des Schadstofftransportes

Das Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz ist eine der über PTKA-WTE geförderten Forschungseinrichtungen. Es ist seit Beginn an diesen Aktivitäten beteiligt und nahm bis 2005 die Aufgabe der Fachkoordination des Forschungsverbunds mit insgesamt 9 Partnern wahr. Als ein Ergebnis aktueller FuE-Arbeiten ist die Qualität eines neuen, empirischen Modells zur Beschreibung von Komplexierungs-Reaktionen von Radionukliden mit Huminsäuren aus natürlichen Grundwässern gezeigt. Es beschreibt die pH-Abhängigkeit von Bindungs- und Komplexierungskonstanten sehr genau. Solche empirischen Modelle bilden die Grundlage für weitere wissenschaftliche Arbeiten, die letztlich das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse im Detail zum Ziel haben.

Anwendung eines empirischen Modells

Die Projektförderung des BMWi über den PTKA-WTE trägt wesentlich zur Förderung von wissenschaftlichem Nachwuchs auf dem in Deutschland seit geraumer Zeit wenig intensiv unterstützten Gebiet der Kern- und Radiochemie bei.

Die explizite Einbeziehung der Migration von Radionukliden oder chemotoxischer Bestandteile aus den Abfällen in Sicherheitsanalysen erfordert komplexe und dem neuesten internationalen Stand von Wissenschaft und Technik entsprechende Rechenprogramme. Nur mit ihnen kann eine Berechnung der auf dem Ausbreitungsweg ortsspezifisch vorhandenen Radionuklidkonzentration unter Berücksichtigung realitätsnaher Randbedingungen erfolgen. So ist z. B. eine potentiell vorhandene Dichteschichtung von Grundwässern mit unterschiedlichem Salzgehalt bei der Modellierung einzubeziehen.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen ist die Modellierung des Schadstofftransports eine zentrale Aufgabe. Die Wechselwirkungen der Schadstoffe mit der Umgebung, in der sie sich ausbreiten, sind geeignet einzubeziehen. Die spezifischen chemischen oder physikalischen Eigenschaften der zu betrachtenden Schadstoffe, bei Radionukliden etwa des radioaktiven Zerfalls, sind zu berücksichtigen. Auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Gesteine und der Flüssigkeiten, die als Transportmedium dienen, spielen eine bedeutende Rolle. Die Ausbreitung der Schadstoffe muss realitätsnah simuliert werden. Es sind folglich große Modellgebiete, deren Dimension im km²-Bereich liegt und Zeiträume von bis zu mehreren hunderttausend Jahren, in einer Modellierung zu betrachten.

Rechenprogramme, die diese Aufgabe leisten können, erfüllen besondere Anforderungen hinsichtlich der verwendeten mathematisch-numerischen Verfahren und kommen auf modernster Rechnertechnik zum Einsatz (Parallelrechnern).

Beispiele für Programme aus diesem Bereich, deren Entwicklung durch Projektförderung des BMWi über PTKA-WTE gefördert wurde, sind das Dichteströmungsprogramm d3f (distributed density driven flow) und das Transportprogramm r3t (radionuclides, reaction, retardation and transport).

 

 

 

Mit d3f können Dichteströmungen, die in natürlichen Grundwässern auf Grund deren Versalzung vorkommen, modelliert werden.

Grundwasserbewegung nach rd. 100000 Jahren (Simulation mit dem Dichteströmungsprogramm d3f)

Grundwasserbewegung nach rd. 100000 Jahren (Simulation mit dem Dichteströmungsprogramm d3f)

 

 

Das Programmpaket r3t dient zur Modellierung des Transports von chemotoxischen (z. B. Schwermetalle) bzw. radioaktiven Schadstoffen durch das Fernfeld eines Endlagers.

Ausbreitungsrechnung mit dem Programmpaket r3t (dargestellt ist die Radionuklidkonzentration nach der Simulation eines Zeitraums von rd. 5000 Jahren)

Ausbreitungsrechnung mit dem Programmpaket r3t (dargestellt ist die Radionuklidkonzentration nach der Simulation eines Zeitraums von rd. 5000 Jahren)

 

Beide Rechenprogramme können für poröse oder äquivalent-poröse Medien in großräumigen (km2-Bereich), dreidimensionalen, hydrogeologisch komplexen Gebieten eingesetzt werden. Durch den gemeinsamen Einsatz des Ende 2003 fertig gestellten Programms r3t mit dem Strömungsprogramm d3f sind Schadstofftransportrechnungen möglich, in denen alle für eine Langzeitsicherheitsanalyse zu berücksichtigenden Wechselwirkungs- und Rückhalteeffekte der aus den Zerfallsreihen der Radionuklide entstehenden Elemente sowie der Spalt- und Aktivierungsprodukte berücksichtigt werden können.