Modellierung der wassergebundenen Transportprozesse von Radionukliden im Boden und Grundwasser

Die Kontamination des Grundwassers kann einen relevanten Beitrag zur Dosis des Menschen liefern, wenn das Wasser für die Produktion von Nahrung oder als Trinkwasser genutzt wird

Eine Berechnung der Dosis der Bevölkerung ist u. a. zur Sicherstellung der Einhaltung von Dosisgrenzwerten erforderlich, z. B. bei der Deponierung von geringfügig radioaktiv kontaminiertem Material - wie Bauschutt aus dem Rückbau von Kernkraftwerken - oder bei der genehmigten Ableitung von Radionukliden mit Luft und Wasser.

Wassergebundene Prozesse, wie die Sorption von Radionukliden im Boden, der Transport von Radionukliden über Sickerwasser in tiefere Bodenschichten bis hin in das Grundwasser (Abb. 1), die Ausgasung gasförmig gelöster Radionuklide in die Atmosphäre oder die Aufnahme von Radionukliden durch Pflanzen aus der Bodenlösung sind anspruchsvoll zu modellieren, da ein Bodenkörper in der Regel sehr heterogen ist und kleinräumige Variationen der Porenräume (z. B. Risse, Hohlräume) und der chemischen Zusammensetzung aufweist.

Die Dosis der Bevölkerung resultiert im Wesentlichen aus dem Verzehr von Nahrungsmitteln und Trinkwasser.

Zielsetzung

Das Fachgebiet Radioökologie untersucht, inwieweit die verfügbaren wassergebundenen Transportmodelle und mechanistischen Ansätze (z. B. Software HYDRUS, DuMux, PHREEQC) zur Beschreibung des Transports und der Sorption von Radionukliden im Boden und im Grundwasserleiter für radioökologische Fragestellungen geeignet sind, und entwickelt diese bei Bedarf weiter.

Bei erwartbar geringen Dosen genügen in der Regel einfache Modelle mit konservativen Annahmen und Ansätzen. Könnten aus einer Bodenkontamination hohe Dosen resultieren oder sind realitätsnahe Berechnungen nötig, sind komplexe Modelle anzuwenden wie z. B. die Beschreibung der Sorption an Bodenkomponenten anhand von geochemischen Speziationsmodellen, was auch ein besseres Prozessverständnis ermöglicht (Urso et al., 2019).

Durchführung

In einem vom BfS geförderten und teilbetreuten Promotionsprojekt an der Universität Stuttgart wird im Bereich der Freigabe geringfügig radioaktiv kontaminierten Materials die Hydrodynamik im Bauschuttmaterial aus dem Rückbau der Kernkraftwerke untersucht und mit einer vollwertigen Stofftransporttheorie gekoppelt. Bei den untersuchten Konfigurationen handelt es sich um teilporöses Material stark heterogener Struktur, das zahlreiche Klüfte, Risse, Hohlräume, aber auch blockierte Fließwege aufweisen kann. Die Hydrodynamik in einem solchen Material war durch bisherige Programme nur unvollständig zugänglich. Im Projekt wird dafür die Stuttgarter Software DuMux (Koch et al., 2021) eingesetzt. Die Arbeiten umfassen auch künftig aufgrund des Klimawandels vermehrt zu erwartende meteorologische Extremereignisse wie Starkregen oder Überschwemmungen.

Im Rahmen des RadoNorm-Projekts liegt ein Fokus auf hydrodynamischen und chemischen Prozessen zum Verhalten von Uran und Radium in der Umwelt. So werden auf einem ehemaligen Uranbergbaugebiet in Frankreich, dem Standort Rophin, hydrologische und radiologische Untersuchungen durchgeführt, um die Radionuklidgehalte in den unterschiedlichen Umweltmedien zu quantifizieren. Für die Langzeitbetrachtung ist es von Interesse, wie die Kontamination sich im Boden in der Zukunft verhalten wird. Das BfS (Fachgebiet Radioökologie) verwendet die Software HYDRUS, um den Wasserfluss abzubilden und den Verbleib von Uran und Radium im Boden sowie einen möglichen Transfer von Radionukliden ins Grundwasser zu quantifizieren.

Neben theoretischen Untersuchungen wurde im Rahmen eines Ressortforschungsvorhabens mit Hilfe von Säulenversuchen das Migrationsverhalten von neun endlagerrelevanten Radionukliden in Modellböden überprüft. Der Stärke der Sorption der Radionuklide in den Modellböden wurde durch Analysen der Bodenfraktion und des Porenwassers ermittelt. Die Ergebnisse zeigen u. a., dass die Sorption stark von der Bodenzusammensetzung abhängt und dass die untersuchten Radionuklide mit Ausnahme von I-129 größtenteils innerhalb der ersten Zentimeter der Bodensäule sorbieren (siehe Abschlussbericht).

Literatur

Koch et al. (2021). DuMux 3 – an open-source simulator for solving flow and transport problems in porous media with a focus on model coupling. Computers & Mathematics with Applications, 81, 423-443

Urso et al. (2019). Modelling partition coefficients of radium in soils, Applied Geochemistry, 105, 78-86