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Technical Report NTB 15-04

Main outcomes and review of the FEBEX In Situ Test (GTS) and Mock-up after 15 years of operation

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Die Hauptziele des FEBEX-Experiments (Full Scale Engineered Barrier Experiment) waren der Nachweis der technischen Realisierung eines horizontalen Einlagerungskonzepts für hochaktive Abfälle (HAA) in einem kristallinen Wirtgestein, die Validierung der Eigenschaften von technischen Barrieren (EBS) sowie die Erweiterung des Verständnisses von gekoppelten thermo-hydromechanischen (THM) und thermo-hydrogeochemischen (THMC) Prozessen in den technischen und natürlichen Barrieren.

Den Kernpunkt des FEBEX-Projekts bildet ein In situ-Grossversuch im Felslabor Grimsel (FLG), in dem zwei Heizelemente, welche eingelagerte Behälter simulieren, innerhalb einer technischen Barriere von vorverdichteten Bentonitblöcken eingebaut wurden. Seit Beginn des Experiments im Jahr 1997 wurde an der Heizelementoberfläche eine konstante Temperatur von 100 °C erzielt, währenddessen sich die Bentonitverfüllung langsam mit Wasser aus dem umgebenden Granitgestein aufsättigte. Die Entwicklung der Temperatur, der Aufsättigung, der relativen Feuchtigkeit, des Gesamtdrucks, des Porendrucks und der Verschiebungen innerhalb der Bentonitbarriere und der Geosphäre wurde durch insgesamt 632 Sensoren überwacht. Nach fünf Jahren Laufzeit wurde das Heizelement 1 im Jahr 2002 abgeschaltet, ausgebaut und analysiert, während das Heizelement 2 in Betrieb blieb.

Zeitgleich wurde ein skalierter Versuch (im Massstab 1:3, "Mock-up"-Versuch) in den Labors von CIEMAT in Madrid unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt. Im Gegensatz zum In situ-Versuch wurde der Mock-up-Versuch bei konstantem Wasserdruck und definierten experimentellen Randbedingungen über ein Geotextil aufgesättigt. Die Sensordichte im Mock-up-Versuch war deutlich höher als im In situ-Versuch. Diese beiden FEBEX-Versuche werden durch umfangreiche Labor- und Modellierprogramme ergänzt.

Seit dem Einbau vor 15 Jahren verhält sich die technische Barriere weitestgehend wie erwartet. Bereits vor Beginn des Experiments wurden die Hauptprozesse und -interaktionen in der technischen Barriere während der frühen Heizphase identifiziert. Der Grossteil der Bentonitbarriere, sowohl beim In situ- wie beim Mock-up-Versuch, erreichte einen hohen Sättigungsgrad und erhebliche Quelldrücke. Inhomogenitäten in der Bentonitbarriere, bedingt durch deren Einbau, spielten eine untergeordnete Rolle. Dadurch war zu beobachten, dass die Wärmeausbreitung, Aufsättigung und der Spannungsaufbau relativ gleichmässig und achsensymmetrisch verliefen und massgeblich durch den Abstand zu den Heizelementen gesteuert wurden. Für den In situ-Versuch bedeutet dies, dass der Aufsättigungsprozess durch die geringe Permeabilität des gesättigten Bentonits, statt durch Heterogenitäten im durchlässigeren Umgebungsgestein kontrolliert wurde.

Im FEBEX-Programm wurde der THM-Modellierung bereits von den ersten Designstudien bis über den gesamten Versuchszeitraum eine bedeutende Rolle beigemessen. Der Erfolg der Modelle bei der Vorhersage der anfänglichen Experimentphase und der stetigen Weiterentwicklung der Bentonitbarriere des In situ- und des Mock-up-Versuchs basiert auf der Identifizierung der wichtigsten beeinflussenden Prozesse. Für den Erfolg ausschlaggebend waren zudem die detaillierte Charakterisierung des Bentonits im Labor, der begrenzte Einfluss der Heterogenität der Bentonitbarriere (z. B. Fugen zwischen den Bentonitblöcken) sowie die geringe Sensitivität gegenüber Heterogenitäten in der Geosphäre. Jedoch sind die Grenzen der Modellierung (und der generellen Nutzung von Datensätzen aus Grossversuchen) aufgezeigt worden. Speziell zu erwähnen ist dabei eine Limitierung bei der Beschreibung von weiteren Prozessen, die im Endstadium des Aufsättigungsprozesses auftreten können.

Ungeachtet dessen ist eine signifikante Verbesserung der THC/THMC-Modellierung der Tonbarriere im Rahmen des Projekts FEBEX erreicht worden. Im Laufe des Projekts wurden THC/THMC-Codes entwickelt, welche die beobachteten thermo-hydro-geochemischen Interaktionen erfassen sowie die wichtigsten Merkmale des THC-Verhaltens in konzeptionellen Modellen widerspiegeln können.

Zusammenfassend wird festgehalten, dass die FEBEX In situ- und Mock-up-Versuche einen einzigartigen Einblick in die Entwicklung einer Bentonitbarriere im realistischen Massstab ermöglicht haben. Der Beobachtungszeitraum von 15 Jahren deckt dabei einen bedeutenden Teil der frühen Entwicklung einer technischen Barriere in einem geologischen Tiefenlager ab. Die Machbarkeit wurde bereits in den ersten Jahren mit dem Aufbau und der ersten Betriebsphase des In situ-Tests demonstriert. Die geforderten Eigenschaften der technischen Barriere konnten anhand des Erreichens einer geringen Durchlässigkeit, des hohen Aufsättigungsgrads der äusseren Barriereschicht sowie der signifikanten Quelldrücke aufgezeigt werden. Zudem wurden keine bevorzugten Fliesspfade nachgewiesen. Mit dem Ausbau des letzten Heizelements beim In situ-Versuch im Jahr 2015 werden wertvolle zusätzliche Informationen über den Zustand der Bentonitbarriere und die langfristigen Auswirkungen auf Korrosion, geochemische und mikrobielle Prozesse gewonnen. Diese werden das Prozessverständnis des Verhaltens von technischen Barrieren erweitern. Der Datensatz wird zudem die Weiterentwicklung der THM/THMC-Modelle ermöglichen und somit die Verlässlichkeit für längerfristige Vorhersagen erhöhen.

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