TRANSFER

TRANSFER –  Training and Research Academy for Nuclear Safety and Geological Repository Systems

TRANSFER FSU Jena:

Hochskalierung geologischer Heterogenität auf der Porenskala mit Deep Learning (DL)

Finanzierung: Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE)

Dauer: 01.04.2026 – 30.04.2029

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer, Dr. Saeid Sadeghnejad

Bearbeitung: Denis Muturi

Beschreibung:

Die sichere Entsorgung hochradioaktiver Abfälle erfordert zuverlässige Vorhersagen darüber, wie Radionuklide über Zeiträume von Hunderttausenden von Jahren durch geologische Wirtsgesteine wandern. Opalinus-Ton ist das Tonsteinmaterial, das vielversprechend für die Wirtsgesteinsbildung ist, aber seine Porenstruktur ist über viele Skalen hinweg heterogen, von einzelnen Tonmatrixen auf Nanometerebene bis hin zu sandigen und karbonathaltigen Linsen, die auf Zentimeterebene sichtbar sind. Diese Heterogenität hat erhebliche Auswirkungen auf den Fluidfluss und den Radionuklidtransport, was von bestehenden homogenen Sicherheitsmodellen nicht berücksichtigt werden kann.

Das Jenaer Teilprojekt innerhalb der Graduiertenschule TRANSFER erforscht neuartige Ansätze der digitalen Gesteinsphysik und des Deep Learning, um diese Größenskalenlücke durch die Hochskalierung von Porenstrukturen und -prozessen zu überbrücken. Durch die Kombination von Multiskalen-Bildgebung (z. B. Röntgen-CT, SEM/FIB-SEM) mit Modellen des maschinellen Lernens kann die vollständige Porenarchitektur von Laborproben in Porengrößenauflösung digitaler Zwillinge rekonstruiert werden. Numerische Simulationen auf diesen digitalen Zwillingen ermöglichen räumlich explizite Vorhersagen der Permeabilität und Diffusivität über die gesamte Kernprobe hinweg und erfassen erstmals die inhärente Heterogenität des Gesteins. Diese Erlaubnisse ermöglichen die Vorhersage von Strömungs- und Transporteigenschaften auf verschiedenen Skalen und verbessern das Verständnis der Radionuklidmigration in komplexen Untergrundsystemen. Die Ergebnisse werden anhand von Labormessungen validiert und den Konsortiumspartnern zur Integration in Sicherheitsmodelle im Maßstab des Endlagers zur Verfügung gestellt.

Die Ergebnisse tragen dazu bei, Unsicherheiten bei der langfristigen Sicherheitsbewertung geologischer Endlager zu verringern, und unterstützen die Entwicklung zuverlässiger, datengestützter Modelle für die nukleare Abfallentsorgung.

Projektübersicht

TRANSFER ist eine nationale interdisziplinäre Graduiertenschule, die sich der Förderung der wissenschaftlichen Grundlagen für die sichere Entsorgung hochradioaktiver Abfälle in geologischen Endlagern widmet. Das Programm vereint fünf Helmholtz-Zentren und fünf Universitäten:

TRANSFER-Konsortium: GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung (Projektkoordination), Freie Universität Berlin (FUB), Forschungszentrum Jülich (FZJ), Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), RWTH Aachen, FSU Jena, TU Bergakademie Freiberg (TUBAF), Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Universität Greifswald (UG).

Zehn Doktoranden arbeiten an komplementären Projekten, die das gesamte Repository-System umfassen, von der Sorption von Radionukliden auf molekularer Ebene an Tonmineraloberflächen bis hin zur Modellierung des Zweiphasen-Gastransports auf Repository-Ebene. Das Programm legt Wert auf interdisziplinäre Ausbildung und strukturierten Wissenstransfer und bereitet die Absolventen auf Positionen in Wissenschaft, Industrie, Regulierungsbehörden und Politik vor.

Übertragbarkeit

Die Methodik wird über den Opalinuston hinaus erweitert.

Die Übertragbarkeit des Modells wird ohne erneute Schulung bewertet, und Abweichungen werden als mineralogische Unterschiede betrachtet und mithilfe formationsspezifischer Skalierungsbeziehungen aufgelöst.

 Wissenschaftliche Auswirkung

Das Projekt liefert:

• Erster validierter und unsicherheitsquantifizierter Multiskalen-Hochskalierungsansatz für tonreiche Formationen.
• Verbesserte Vorhersage von Strömung und Transport in heterogenen Medien.
• Reduzierte Unsicherheit bei Prozessen zur Radionuklidmigration und Langzeitsicherheitsbewertung.

Diese Methodik ist direkt anwendbar auf:

• Geologische CO₂-Speicherung
• Unterirdische Wasserstoffspeicherung.
• Umwelttechnik und Grundwasserverschmutzung.
• Charakterisierung von Geothermie-Reservoiren.