Multiphysikalische Prozess- und Systemanalyse für geologische Tiefenlager im Tonsteingebirge in der Nachverschlussphase

Zhao, Juan

Im Rahmen eines Langzeitsicherheitsnachweises für Tiefenlager-/Endlagersysteme zur Entsorgung hochradioak-tiver Wärme entwickelnder Abfälle ist das thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelte Langzeitverhalten derartiger Systeme unter Berücksichtigung von 2-Phasenfluss-Prozessen zu analysieren. Diese Analysen erfol-gen für das Endlagernahfeld und den einschlusswirksamen Gebirgsbereich mit Hilfe numerischer Simulationen, die ihrerseits ein hinreichendes Prozess- und Systemverständnis mit Blick auf die ablaufenden und in Wechsel-wirkung miteinander stehenden physikalischen Prozesse und ihre Interaktionen in der jeweiligen Gebirgsforma-tion erfordern. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere das Systemverhalten eines Referenz-Tiefenlager-/Endlagersystems im Tonsteingebirge analysiert. Dazu werden die numerischen Simulationen unter Verwendung des am Lehrstuhl für Deponietechnik und Geomechanik der TU Clausthal entwickelten FTK-Simulators durchgeführt, um so das Prozess- und Systemverständnis für Tiefenlager-/Endlagersysteme im Tonsteingebirge zu verbessern. In diesem Zusammenhang wird der FTK-Simulator zunächst weiter anhand von ausgewählten, in der nationalen und inter-nationalen Literatur dokumentierten Feld- und Laborversuchen sowie auch Berechnungsbeispielen zum ther-mohydromechanischen Tragverhalten von Einlagerungsstrecken durch retrospektive Analysen validiert. Außer-dem wird der FTK-Simulator im Hinblick auf die am Lehrstuhl geplanten laborativen Untersuchungen zur prog-nostischen qualitativen und quantitativen Charakterisierung der 2-Phasenfluss-Eigenschaften von Tonstein ein-gesetzt. Zudem wird ein Funktionalmodell-Ansatz vorgestellt, der eine abstrahierte Modellierung der Sekundär-permeabilitätsentwicklung im Nahfeld von im Tonsteingebirge aufgefahrenen und versetzten Strecken oder Schächten in Abhängigkeit von der Quelldruckentwicklung im Bentonitversatzmaterial ermöglicht. Abschlie-ßend wird eine umfangreiche Variationsanalyse vorgestellt, die für ein generisches Tiefenlager-/Endlagersystem ohne bzw. mit Überwachungssohle im Tonsteingebirge durchgeführt worden ist. Variationsparameter sind dabei die Korrosionsrate der Abfallbehälter, die Permeabilität der geotechnischen Barrieren sowie der geologischen Barriere, die Annahme eines primär vorhandenen vertikal bzw. horizontal gerichteten hydraulischen Gradienten, die Annahme von unentdeckten Störungszonen im Gebirge und die Wirtsgesteinsmächtigkeit (geologische Bar-riere). Zur Verbesserung des Systemverständnisses sind für unterschiedliche Zeitpunkte die im Tiefenlager-/End-lagersystem ablaufenden fluiddynamischen Prozesse visualisiert worden. Die rechnerisch in ihrer zeitlichen Entwicklung ermittelten mechanischen, thermischen und hydraulischen Zustandsgrößen im Umgebungsbereich des Entsorgungsbergwerkes können grundsätzlich auch als Vergleichswerte für die Überwachung des Tiefenla-gers herangezogen werden.

In the framework of a safety case for repository systems in deep geological formations used for the disposal of high-level radioactive heat-generating waste, the THM-coupled long-term behaviour of such systems has to be analysed with consideration of 2-phase flow processes. These analyses are carried out for the repository near field and the isolating rock mass zone by performing numerical simulations, which require a sufficient process and system understanding with regard to the coupled physical processes involved and their interaction in the respective rock mass formation. The topic of this Ph.D. work is the analysis of the long-term system behaviour of a reference repository system built in clay stone rock mass. Therefore, numerical simulations have been carried out using the FTK-simulation tool which has been developed at the Chair in Waste Disposal and Geomechanics at the Clausthal University of Technology, in order to improve the process and system understanding for repository systems in the clay stone rock mass. In this context, the FTK-simulation tool is at first validated further by performing retrospective anal-yses of selected field and laboratory tests documented in the national and international literature, as well as of numerical simulation examples regarding the thermohydromechanical load-bearing behaviour of emplacement drifts. Besides, the FTK-simulation tool is used to perform a prognostic analysis concerning the laboratory inves-tigations, which have been planned to qualitatively as well as quantitatively characterise the 2-phase flow prop-erties of clay stone. In addition, a functional model approach is presented, which allows an abstract modeling of the secondary permeability development in the near field of drifts or shafts excavated and backfilled in clay stone rock mass as a function of the swelling pressure development in the bentonite backfill material. Finally, a comprehensive variation analysis is presented, which has been carried out for a generic repository system in clay stone rock mass without or with consideration of a monitoring level. Variation parameters are the corrosion rate of the waste containers, the permeability of the geotechnical barriers as well as of the geologic barrier, the as-sumption of a primarily existent vertically or horizontally directed hydraulic gradient, the assumption of undis-covered disturbance zones in the rock mass, and the thickness of the host rock (geologic barrier). In order to improve the understanding of the system, the fluid dynamics processes taking place in the repository system have been visualised for different points of time. The calculated time-dependent development of the mechanical, thermal and hydraulic state variables in the near-field of the disposal facility may in principle also be used as comparison values for the monitoring of the repository.

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Zhao, Juan: Multiphysikalische Prozess- und Systemanalyse für geologische Tiefenlager im Tonsteingebirge in der Nachverschlussphase. 2017.

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