Experimental and numerical investigations with respect to the material properties of geotechnical barriers

Abstract

Quellfähige Tone spielen eine bedeutende Rolle bei aktuellen Konzepten zur Endlagerung hoch-radioaktiver Abfälle in kristallinem Wirtsgestein. Zum Schutz vor dem Austritt radioaktiver Substanzen wurden Multi-Barrieren-Konzepte entwickelt. Die Barrieren bestehen aus einem Kupferkanister, aus kompaktiertem Bentonit als Verfüllmaterial (die Geotechnische Barriere) sowie dem Wirtsgestein. Durch Korrosion der Kupferkanister oder Radiolyse kann bei hoch-radioaktiven Abfällen Wasserstoff entstehen. Durch die in diesem Konzept vorgesehene Aufstättigung des Verfüllmaterials mit Kluftwasser wird seine Permeabilität stark reduziert, so dass sich Wasserstoffgas in dem Raum zwischen Kanister und der Geotechnischen Barierre aufstauen kann. Durch diese Gasansammlung kann der Eindringdruck des Verfüllmaterials überschritten werden, und es kommt dann zu einer Migration der Gase durch die Geotechnische Barriere. Zur Untersuchung der thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Verfüllmaterials unter Bedingungen, die in untertätigen Endlagern für radioaktiven Abfall herrschen, wurden verschiedene Laborexperimente konzipiert. Alle Experimente wurde mit Natrium- (SPV Volclay) oder Kalzium-Bentonit (Calcigel), der mit Gesteinsmehl vermischt wurde, unter Verwendung von Wässern aus dem Felslabor Äspö durchgeführt. Kapillardruckkurven wurden für alle Sättigungsbereiche mit einer Kapillardruckmessdose und einem Thermohygrometer bestimmt. Hydraulische Säulenexperimente wurden mit einem speziell angefertigten Permeameter durchgeführt. Unter Anwendung der Darcy-Gleichung konnte die Permeabilität berechnet werden. Die thermischen und nicht-isothermalen Drainage Experimente wurden mit Hilfe inverser Modellierung mit dem Computerprogramm iTOUGH2 ausgewertet. Die thermischen Experimente wurden bis zur konstanten Temperaturverteilung durchgeführt. Für alle Zeitpunkte und an allen Messpunkten entsprach die simulierte Temperaturverteilung sehr gut den Messdaten. Die invers geschätzte gesättigte thermische Leitfähigkeit und gesättigte spezifische Wärmekapazität waren konsistent mit Ergebnissen aus empirischen Gleichungen. Anhand von nicht-isothermalen Drainage Experimenten wurden Drücke, Temperaturen und die drainierte Wassermenge gemessen. Mit Hilfe des automatisierten Kalibrierungsverfahrens im iTOUGH2 wurden die gesättigte Permeabilität, die thermische Leitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und der Gaseindringdruck der Bentonit/Gesteinsmehl-Mischung geschätzt. Diese Inversion ergab den gleichen Parametersatz zur Beschreibung der Kapillardruck–Sättigungsbeziehung wie die Messung mit der Kapillardruckmessdose und dem Thermohygrometer. Das nicht-isothermale Drainage Experiment diente des weitern zum Codevergleich zwischen TOUGH2 und RockFlow/RockMech sowie zur Validierung von RockFlow/RockMech. Anhand unterschiedlichster experimenteller, numerischer und analytischer Verfahren konnten konsistente Materialparameter für das Verfüllmaterial bestimmt werden. Diese Materialparameter können nun als Basis zur Simulation weiterer thermisch-hydraulisch gekoppelter Prozesse in untertägigen Deponien für radioaktive Abfälle dienen. Die neu entwickelten Experimente in Kombination mit inverser Modellierung erlauben somit die Bestimmung von Materialparametern die für thermisch-hydraulische Prozesse unter Endlagerbedingungen von ausschlaggebender Bedeutung sind.

Swelling clays play a major role in current concepts for the underground disposal of high-level nuclear waste in deep geological formations. In one of the multi-barrier concepts for preventing the escape of radioactive substances from a high-level nuclear waste repository, the barrier consists of a copper container, compacted bentonite as buffer and backfill (the geotechnical barrier), and the repository host rock. Corrosion of the copper canister and radiolysis both produce hydrogen. When the buffer and backfill are saturated with water and the permeability of the bentonite is reduced by swelling, any hydrogen that is produced can accumulate in the space between the container and the geotechnical barrier. This will result in pressures exceeding the entry pressure of the buffer and backfill, and passage of gas through the geotechnical barrier. An experimental program was developed to investigate the thermal and hydraulic properties of the buffer and backfill under conditions expected to exist in a permanent repository for radioactive waste. All experiments were conducted with mixtures containing sodium- (SPV Volclay) or calcium-bentonite (Calcigel) and crushed rock, and we used water from the Äspö test site. Water retention curves were measured from low to high saturation using a pressure cell and a thermohygrometer. Hydraulic column experiments were carried out with a specially designed permeameter and Darcy’s law was applied to determine the permeability. The thermal and non-isothermal drainage laboratory experiments were analyzed with inverse modeling techniques using iTOUGH2. The thermal experiments were conducted until a time-invariant temperature distribution was reached. The simulated temperature distribution matched the measured data very well at all locations along the column and for all times. The inversely estimated thermal conductivity and specific heat were consistent with the predictions of the empirical relationships. Pressure, temperature and the drained water volume were measured with non-isothermal drainage experiments and jointly inverted to estimate absolute permeability, thermal conductivity, specific heat, and capillary strength parameters of the bentonite/crushed rock mixtures. Consistent capillary pressure curves were obtained with the inversion of transient data and the direct pressure cell method. One of the non-isothermal drainage experiments was treated as a benchmark between TOUGH2 and RockFlow/RockMech. The simulation of the experiment served also a validation for RockFlow/RockMech. The parameters estimated using different experimental, numerical, and analytical procedures were consistent with one another, providing backfill material properties useful for the simulation of gas- and heat-generating nuclear waste repositories. The newly developed experimental setup in combination with inverse modeling allows the identification of key parameters governing hydraulic and thermal processes under repository conditions.