Bei der Suche nach einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle müssen alle Risiken für die Integrität des Endlagers und die Sicherheit der umgebenden Biosphäre berücksichtigt werden. Nach der Einlagerung radioaktiver Abfälle kommt es durch verschiedene chemische und physikalische Prozesse innerhalb des Endlagers zur Gasbildung. Die kontinuierliche Gasbildung kann den Gasdruck im verschlossenen Endlager erheblich erhöhen. Das Multibarrierensystem des Endlagers, das häufig aus tonhaltigen Materialien besteht, verhindert, dass sich das Gas verflüchtigt. Die Auswirkungen eines hohen Gasdrucks und die damit verbundenen mechanischen Verformungen können sich negativ auf das Barrieresystem des Endlagers auswirken. Ein genaues Verständnis und die Reproduzierbarkeit der gekoppelten Prozesse ist daher unerlässlich.\\
Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gasmigration bei hohen Gasdrücken über lokal begrenzte, preferentielle Strömungs-pfade erfolgt. In dieser Arbeit wurden verschiedene numerische Ansätze entwickelt, um diese Strömungspfade in numerischen Modellen effektiv zu reproduzieren. Ein entwickelter Ansatz nutzt mikroskalige Eigenschaften, die aus Messungen der Porengrößendichte gewonnen werden. Diese werden hochskaliert und in die Eigenschaften des porösen Mediums integriert. Darüber hinaus ist ein bimodales Porenmodell entwickelt worden, das speziell das dehnungsabhängige Wasserrückhaltevermögen beschreibt und einen verringerten Gaseintrittsdruck und erhöhten Anteil der Makroporosität simulieren kann. Die Simulationsmethoden beinhalten zusätzlich die Verwendung von dehnungsabhängigen Permeabilitätsmodellen für die implizite Darstellung der Strömungspfade. Diese Modellierungsansätze werden dann zur Simulation verschiedener Experimente angewandt, wodurch ein detaillierter Vergleich zwischen berechneten Parametern und experimentellen Ergebnissen ermöglicht wird.\\
Die mit dem Open-Source-Code OpenGeoSys durchgeführten Simulationen zeigen, dass bestimmte Merkmale der Gasmigration durch gesättigten Bentonit oder Tonstein erfolgreich reproduziert werden können. Heterogene Verteilungen der Materialeigenschaften können genutzt werden, um bevorzugte Strömungspfade und plötzliche Gasdurchbrüche zu simulieren. Eine Kombination aus dehnungsabhängigen Modifikationen der intrinsischen Permeabilität und der Wasserrückhalte-kurve ermöglicht eine verbesserte Modellierung impliziter präferentieller Pfade. Das sich daraus ergebende tiefere Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse der Gasmigration kann das Sicherheitsanalyse für ein geologisches Tiefenlager für radioaktive Stoffe verbessern.:I Background
1 INTRODUCTION
1.1 Motivation 2
1.2 Objectives 4
1.3 Structure 5
II Theory and Numerics
2 GEOTECHNICAL CONTEXT AND FLUID TRANSPORT
2.1 Deep Geological Repository 9
2.2 Gas production in a DGR 11
2.2.1 Anaerobic metal corrosion 12
2.2.2 Water radiolysis 12
2.2.3 Biodegradation 13
2.3 Fluid transport mechanisms 13
2.3.1 Unsaturated initial conditions 13
2.3.2 Saturated initial conditions 14
2.3.2.1 Advective or diffusive transport of dissolved gas 14
2.3.2.2 Visco-capillary two-phase flow 16
2.3.2.3 Dilatancy-controlled gas flow 18
2.3.2.4 Fracture-controlled gas flow 19
3 NUMERICS AND METHODOLOGY
3.1 Balance equations 21
3.2 Mechanical models 23
3.3 Enhanced permeability functions 24
3.4 Spatial heterogeneity 27
3.5 Bimodal water retention in bentonite 29
4 APPLICATION AND MODEL DESCRIPTION 36
4.1 Application within the DECOVALEX Project 36
4.1.1 Task A – COx claystone 37
4.1.2 Task B – MX-80 Bentonite 38
4.2 Additional gas flow tests 40
III Simulations
5 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH MX-80 BENTONITE
5.1 Heterogeneous Gas Entry Pressure from Measurements (Paper I) 45
5.2 Bimodal Heterogeneous Gas Entry Pressure (Paper II) 46
5.3 Strain-dependent Bimodal Water Retention Model (Paper III) 47
5.4 Strain-dependent Pore-Model with Heterogeneity 48
6 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH COX CLAYSTONE (PAPER IV) 51
7 DISCUSSION 53
IV Summary
8 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 57
A APPENDIX A 72
A.1 List of Publications 72
B APPENDIX B
B.1 Paper I 75
B.2 Paper II 87
B.3 Paper III 109
B.4 Paper IV 121 / In the search for a deep geological repository for radioactive waste, all risks to the integrity of the repository and the safety of the surrounding biosphere must be considered. Following the emplacement of radioactive waste, various chemical and physical processes within the repository induce gas generation. Continuous gas generation can significantly increase the gas pressure in the sealed repository. The repository's multi-barrier system, which often consists of clayey materials such as clayrock and bentonite, prevents the gas from dissipating. The resulting high gas pressure and the associated mechanical deformations can have a negative impact on the multi-barrier system of the repository, e.g. by creating fluid pathways. A sufficiently precise understanding and reproducibility of the processes associated with gas migration through clayey materials is therefore essential for the safety analysis of a repository for radioactive waste.\\
Experimental evidence suggests that, under high gas pressure, gas migration predominantly occurs through localized, preferential pathways characterised by spontaneous breakthroughs. In this work, various numerical approaches have been developed to effectively reproduce these pathways in numerical models. One developed approach utilises microscale properties obtained from measurements of pore size density. These are upscaled and integrated into the properties of the porous medium. Additionally, a bimodal pore model is developed specifically to capture strain-dependent water retention, allowing the simulation of gas entry pressure reduction and macroporosity increase within preferential pathways. The simulation methods include the use of strain-dependent permeability models for the implicit representation of these pathways. These modelling approaches are then applied to replicate different experiments, allowing a detailed comparison between calculated parameters and experimental results.\\
The simulations, performed with the open-source code OpenGeoSys, show that certain features of gas migration through saturated bentonite or claystone can be successfully reproduced. Heterogeneous distributions of material properties can be used to simulate preferential pathways and sudden gas breakthroughs. A combination of permeability models as well as strain-dependent modifications of the intrinsic permeability and the water retention curve provide opportunities for improved modelling of implicit preferential pathways. The resulting deeper understanding of the underlying processes of gas migration can strengthen the safety case for a deep geological repository for radioactive materials.:I Background
1 INTRODUCTION
1.1 Motivation 2
1.2 Objectives 4
1.3 Structure 5
II Theory and Numerics
2 GEOTECHNICAL CONTEXT AND FLUID TRANSPORT
2.1 Deep Geological Repository 9
2.2 Gas production in a DGR 11
2.2.1 Anaerobic metal corrosion 12
2.2.2 Water radiolysis 12
2.2.3 Biodegradation 13
2.3 Fluid transport mechanisms 13
2.3.1 Unsaturated initial conditions 13
2.3.2 Saturated initial conditions 14
2.3.2.1 Advective or diffusive transport of dissolved gas 14
2.3.2.2 Visco-capillary two-phase flow 16
2.3.2.3 Dilatancy-controlled gas flow 18
2.3.2.4 Fracture-controlled gas flow 19
3 NUMERICS AND METHODOLOGY
3.1 Balance equations 21
3.2 Mechanical models 23
3.3 Enhanced permeability functions 24
3.4 Spatial heterogeneity 27
3.5 Bimodal water retention in bentonite 29
4 APPLICATION AND MODEL DESCRIPTION 36
4.1 Application within the DECOVALEX Project 36
4.1.1 Task A – COx claystone 37
4.1.2 Task B – MX-80 Bentonite 38
4.2 Additional gas flow tests 40
III Simulations
5 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH MX-80 BENTONITE
5.1 Heterogeneous Gas Entry Pressure from Measurements (Paper I) 45
5.2 Bimodal Heterogeneous Gas Entry Pressure (Paper II) 46
5.3 Strain-dependent Bimodal Water Retention Model (Paper III) 47
5.4 Strain-dependent Pore-Model with Heterogeneity 48
6 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH COX CLAYSTONE (PAPER IV) 51
7 DISCUSSION 53
IV Summary
8 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 57
A APPENDIX A 72
A.1 List of Publications 72
B APPENDIX B
B.1 Paper I 75
B.2 Paper II 87
B.3 Paper III 109
B.4 Paper IV 121
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:93676 |
| Date | 11 September 2024 |
| Creators | Radeisen, Eike |
| Contributors | Kolditz, Olaf, Nagel, Thomas, Bond, Alex, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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