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Technical Report NTB 94-19

Modular Coupling of Transport and Chemistry: Theory and Model Applications

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Komplexe Prozesse in einem Endlager für radioaktive Abfälle erfordern für ihre Beschreibung die Kopplung von chemischen Reaktionen und Transportvorgängen. Bis heute können gekoppelte Prozesse zu wenig modellmassig berechnet werden, einerseits wegen der erforderlichen enormen Rechenzeit bzw. des enormen Speicherbedarfs der bestehenden Rechenprogramme und andererseits wegen der fehlenden Daten für die Modelle. Um die Computerbeschränkungen abzubauen, wurde das Rechenprogramm MCOTAC (Modular Coupling of Transport and Chemistry) entwickelt, das im vorliegenden Bericht dokumentiert wird. MCOTAC kann chemische Gleichgewichtsreaktionen in der flüssigen Phase bzw. zwischen der flüssigen und der festen Phase behandeln gleichzeitig mit advektiven, dispersiven und diffusiven Transportvorgängen in der flüssigen Phase. MCOTAC ist gegenwärtig auf ein wassergesättigtes poröses Medium in einer Raumdimension beschränkt. Durch seinen modularen Aufbau kann MCOTAC jedoch in verschiedene Richtungen erweitert werden: die Berücksichtigung von Sorptionsvorgängen, die Kinetik der Auflösung bzw. Ausfällung von Festphasen, Porositätsänderungen oder die Anpassung an neue Computer-Entwicklungen. Zur numerischen Berechnung der Transportvorgänge wird in MCOTAC ein Random Walk Verfahren verwendet. Transportvorgänge und chemische Reaktionen werden dabei getrennt berechnet, sie sind jedoch durch einen Austauschterm gekoppelt, der die Massenerhaltung gewährleistet. MCOTAC wurde durch Berechnungen für folgende drei gekoppelte Prozesse verifiziert: die Auslaugung einer mit Calcium-Silikat-Hydrat gefüllten Kolonne durch reines Wasser; die Auslaugung einer mit Portlandit gefüllten Kolonne durch Grundwasser; die Auslaugung einer mit Calcit gefüllten Kolonne durch Grundwasser. In allen drei Testfällen wurden die MCOTAC-Berechnungen mit Berechnungen anderer Rechenprogramme verglichen und stimmten gut überein.

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