Abstract
This presentation gives on overview of the complex
thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes occurring during the
disposal of heat-producing high-level radioactive waste in geologic
repositories. A specific focus is on the role of compacted bentonite, which is
commonly used as an engineered backfill material for emplacement tunnels
because of its low permeability, high swelling pressure, and radionuclide
retention capacity. Laboratory and field tests integrated with THMC modeling
have provided an effective way to deepen our understanding of
temperature-related perturbations in the engineered barrier system; however,
most of this work has been conducted for maximum temperatures around
100 ∘C. In contrast, some international disposal programs have
recently started investigations to understand whether local temperatures in
the bentonite of up to 200 ∘C could be tolerated with no
significant changes to safety relevant properties. Raising the maximum
temperature is attractive for economical and safety reasons but faces the
challenge of exposing the bentonite to significant temperature
increases. Strong thermal gradients may induce complex moisture transport
processes while geochemical processes, such as cementation and perhaps also
illitization effects may occur, all of which could strongly affect the
bentonite and near-field rock properties.
Here, we present initial investigations of repository behavior exposed to
strongly elevated temperatures. We will start discussing our current knowledge
base for temperature effects in repositories exposed to a maximum temperature
of 100 ∘C, based on data and related modeling analysis from a
large heater experiment conducted for over 18 years in the Grimsel Test Site
in Switzerland. We then show results from coupled THMC simulations of a
nuclear waste repository in a clay formation exposed to a maximum temperature
of 200 ∘C. We also explore preliminary data from a bench-scale
laboratory mock-up experiment, which was designed to represent the strong THMC
gradients occurring in a “hot” repository, and we finally touch on a
full-scale field heater test to be conducted soon in the Grimsel Test Site
underground research laboratory in Switzerland (referred to as HotBENT).
Kurzfassung
Dieser Vortrag gibt einen Überblick über die komplexen thermo-hydro-mechanisch-chemischen (THMC) Prozesse, die bei der Entsorgung von wärmeproduzierenden hochradioaktiven Abfällen in geologischen Endlagern auftreten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Rolle von verdichtetem Bentonit, der aufgrund seiner geringen Durchlässigkeit, seines hohen Quelldrucks und seines Rückhaltevermögens für Radionuklide häufig als technisches Verfüllmaterial für Einlagerungstunnel verwendet wird. Labor- und Feldversuche in Verbindung mit THMC-Modellen haben es ermöglicht, unser Verständnis von temperaturbedingten Störungen im technischen Barrieresystem zu vertiefen; die meisten dieser Arbeiten wurden jedoch für Höchsttemperaturen um 100 ∘C durchgeführt. Im Gegensatz dazu haben einige internationale Entsorgungsprogramme vor Kurzem mit Untersuchungen begonnen, um herauszufinden, ob lokale Temperaturen im Bentonit von bis zu 200 ∘C toleriert werden könnten, ohne dass sich die sicherheitsrelevanten Eigenschaften wesentlich ändern. Eine Anhebung der Höchsttemperatur ist aus wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Gründen attraktiv, birgt aber die Herausforderung, dass der Bentonit erheblichen Temperaturerhöhungen ausgesetzt wird. Starke thermische Gradienten können komplexe Feuchtigkeitstransportprozesse auslösen, während geochemische Prozesse wie Zementation und vielleicht auch Illitisationseffekte auftreten können, die alle den Bentonit und die Gesteinseigenschaften im Nahfeld stark beeinflussen könnten.
Hier stellen wir erste Untersuchungen zum Verhalten von Endlagern vor, die
stark erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Wir beginnen mit der
Erörterung unserer derzeitigen Wissensbasis zu Temperatureffekten in
Endlagern, die einer Maximaltemperatur von 100 ∘C ausgesetzt
sind, basierend auf Daten und zugehörigen Modellierungsanalysen aus
einem großen Erhitzerexperiment, das über 18 Jahre lang im
Grimsel-Testgelände in der Schweiz durchgeführt
wurde. Anschließend werden Ergebnisse von gekoppelten THMC-Simulationen
eines Atommülllagers in einer Tonformation vorgestellt, die einer
maximalen Temperatur von 200 ∘C ausgesetzt ist. Wir
untersuchen auch vorläufige Daten aus einem Laborexperiment im
Labormaßstab, das entwickelt wurde, um die starken THMC-Gradienten
darzustellen, die in einem „heißen“ Endlager auftreten, und
schließlich gehen wir auf einen Feldheizungsversuch in vollem Maßstab
ein, der demnächst im unterirdischen Forschungslabor des
Grimsel-Testgeländes in der Schweiz durchgeführt werden soll
(HotBENT).