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Technical Report NTB 98-03

Large-scale Experiment for Water and Gas Transport in Cementitious Backfill Materials (Phase 1) COLEX I

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Im geplanten schweizerischen Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle werden die Zwischenräume zwischen den Abfallcontainern mit einem hochpermeablen Mörtel (NAGRA Bezeichnung: Mörtel 1) ausgefüllt. Neben der mechanischen Stabilisierung durch das Verfüllen der Hohlräume und der Sorption von Radionukliden hat er die Aufgabe, die im Endlager durch Korrosion entstehenden Gase in das umgebende Wirtgestein abzuleiten. Dadurch können Schäden vermieden werden, die durch einen allfälligen Überdruck an der Kavernenkonstruktion entstehen könnten. Neben dem Gastransport ist der damit gekoppelte Wassertransport von Interesse, der für den Transport von Radionukliden verantwortlich ist.

Die bisher durchgeführten Modellierungen für den Gas- und Wassertransport im Endlager basierten auf Transportparametern, die an kleinen Mörtelproben im Labormassstab ermittelt worden waren. Eine Validierung der numerischen Simulationen anhand eines Experimentes in grossem Massstab fehlte jedoch bisher. Die hier vorgestellten Untersuchungen sollen diese Lücke schliessen. 

In einem experimentellen Teil werden anhand einer mit Verfüllmörtel gefüllten Säule (bis zu 5.4 m hoch) Untersuchungen zum Gas- und Wassertransport vorgenommen. Die Säule ist modular aufgebaut und kann am oberen Ende mit einem Material definierter Permeabilität (Abschlusspfropfen) abgeschlossen werden. Mit diesem variablen Abschluss kann der Einfluss des dichteren Kavernenausbaus oder allfälliger Gasauslassöffnungen (Vents) im Kavernenfirst studiert werden. Am unteren Ende ist eine Gaszufuhr angeschlossen, mit der definierte Gasproduktionsraten der Abfälle simuliert werden können.  

Es wurden insgesamt 5 Versuche durchgeführt, wobei die Gasgenerationsrate, die Säulenhöhe und die Permeabilität des Abschlusspfropfens variiert wurden. Der Mörtel in der Säule sowie der Abschlusspfropfen wurden vor Versuchsbeginn auf ca. 95% aufgesättigt. Es zeigte sich in allen Versuchen ein Druckanstieg mit der Zeit, der mit zunehmender Gasgenerationsrate und abnehmender Permeabilität des Abschlusspfropfens rascher erfolgte. Zu Versuchsbeginn wurde nur ein Wasserfluss aus der Säule beobachtet. Erst nachdem die Sättigung des Mörtels bis auf ca. 80% abgesunken war, wurde auch ein Gasfluss aus der Säule festgestellt. Der Gasfluss erfolgte nicht kontinuierlich sondern in Intervallen pulsartig.  

Im Anschluss wurden die durchgeführten experimentellen Untersuchungen numerisch simuliert und die numerischen mit den experimentellen Resultaten verglichen. Es zeigte sich, dass mit den bisher verwendeten Transportparametern die Versuche z. T. in guter Übereinstimmung simuliert werden können. Nachfolgend werden Erweiterungen des numerischen Modells vorgeschlagen, um Phänomene simulieren zu können, die bisher im numerischen Modell nicht implementiert sind.  

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