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Technical Report NTB 00-10

SANTA-CHEM A Nagra-JNC co-developed hyperalkaline water-rock interaction code Code description and applications

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Das eigentliche Ziel von SANTA-CHEM ist die Entwicklung eines geochemischen Codes, bei dem das chemische System in den Eingabefiles mithilfe eines Datensatzes an Spezies und Mineralreaktionen spezifiziert werden muss. Durch diesen grösseren Aufwand bei der Beschreibung des chemischen Systems sollten Schwierigkeiten vermieden werden, die sich aus der Problematik "rubbish in" ergibt "rubbish out" ergeben (d. h. die Qualität eines erhaltenen Modells steht und fällt mit der Qualität der Eingabeparameter). Zudem erhoffte man sich auch, dass damit den Anwendern ein besseres Verständnis bzw. eine bessere Beurteilung des chemischen Systems ermöglicht würde. Benutzerfreundlichkeit und Vereinfachung bei den Eingabedaten waren ebenfalls erforderliche Kriterien im Sinne einer unkomplizierten Anwendung des Codes. Dies gilt insbesondere für Überschlagsrechnungen, für die oft wiederholte Rechenläufe mit nur geringfügiger Modifikation der Eingabefiles erforderlich sind.

Eine weitere Zielsetzung war die Bereitstellung eines gekoppelten chemischen Codes mit einem Transportcode, bei dem das chemische System eindeutig das einfache Transportsystem dominiert, so dass die Chemie ohne Behinderung durch ein komplexes und zeitaufwändiges Transportmodell untersucht werden kann. 

Das Transportmodell betrachtet den Fall eines eindimensionalen advektiven Flusses mit Diffusion. Dabei sind folgende Voraussetzungen und Aspekte zu erwähnen:

  • Beim Fluss wird angenommen, dass ein solcher in Klüften auftritt.
  • Bei der Gesteinsporosität wird davon ausgegangen, dass diese sich auf die Klüfte konzentriert; daraus folgt:
  • Die Gesteinsmatrix wird ignoriert.
  • Eine anfängliche Darcy-Geschwindigkeit sowie ein hydraulischer Gradient werden durch den Anwender eingegeben.
  • Die Darcy-Geschwindigkeit kann für eine Berechnung als fest eingegeben werden (dies kann sich aber in unrealistisch hohen Teilchengeschwindigkeiten äussern, wenn die Porosität gering wird) oder variabel als Funktion der Porosität.
  • In der gegenwärtigen Version von SANTA-CHEM ist keine hydrodynamische Dispersion enthalten.
  • Zur Vereinfachung werden in der gegenwärtigen Version von SANTA-CHEM für sämtliche diffusive Spezies dieselben Diffusionskoeffizienten angenommen.

Das chemische Modell wird durch Komponenten, (wässrige) Spezies und Minerale aufgebaut, dabei gelten folgende Voraussetzungen:

  • Es wird ein unmittelbares Gleichgewicht zwischen sämtlichen Komponenten und Spezies in Lösung angenommen.
  • Mineralauflösungsreaktionen können ein Gleichgewicht innerhalb eines einzigen Zeitschritts erreichen, oder sie können durch Benutzer-definierte Konstanten für die kinetische Rate kontrolliert werden, so dass ein annäherndes Gleichgewicht über mehrere Zeitschritte erreicht wird.
  • Die Rate für Mineralfällungsreaktionen wird als ausreichend schnell erachtet, so dass die Erreichung eines Gleichgewichts innerhalb eines einzigen Zeitschritts angenommen werden kann.
  • Die Mineralauflösungsrate kann von der Mineraloberfläche abhängig oder unabhängig sein.
  • Alle für eine Berechnung verwendeten Reaktionen, wässrigen Spezies und Minerale müssen, soweit möglich, durch den Anwender explizit definiert werden zusammen mit den Stabilitätskonstanten der Spezies, Löslichkeitsprodukten der Minerale und Konstanten der kinetischen Rate.
  • Es wird angenommen, dass sämtliche Reaktionen bei einer Temperatur von 25º C ablaufen.
  • Für die Ionenstärke wird die erweiterte Davies-Gleichung verwendet.
  • Bei den implementierten Mineral- und Lösungsreaktionen ist kein Wasser enthalten; dies hat zur Folge, dass die Aktivität des Wassers immer 1.0 beträgt und Wasser immer im Überschuss vorhanden ist.

Der vorliegende Bericht beschreibt das Programm SANTA-CHEM mit dessen Programmbestimmenden Gleichungen und Lösungsverfahren. Im Anhang ist die Beschreibung der für die Benutzung des Codes notwendigen Eingabefiles zusammen mit der Definition sämtlicher Eingabeparameter enthalten, ausserdem finden sich dort Beispiele für Ausgabefiles mit Erläuterungen und Testfälle für Transportberechnungen sowie Rechenbeispiele für chemische Systeme.

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