BGR-Beiträge zu der BGE-Veranstaltung
„Tage der Standortauswahl“ vom 11. - 12.02.2021

Themengebiet: „Sicherheitsuntersuchungen und Ungewissheiten“

Poster: Gasmigration in der Barriere. Numerische Modellierung und Aktivität des "German Clusters" im European Joint Programme on Radioactive Waste Management – Work package GAS

M. Pitz^a,d, N. Grunwald^c, A. Hassanzadegan^b, O. Kolditz^c,e, J. Maßmann^a, C. Müller^b, T. Nagel^d, E. Simo^b,d, W. Wang^c, M. Wengler^b, G. Ziefle ^a

^aBundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
^bBundesgesellschaft für Enlagerung (BGE mbH)
^cHelmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ)
^d Technische Universtät Bergadademie Freiberg (TUBAF)
^e Technische Universtiät Dresden (TUDD)

Kurzbeschreibung:

Die Herausforderung der Entsorgung radioaktiver Abfälle betrifft viele Nationen und in der Europäischen Union hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass Wissenstransfer und Zusammenarbeit auf Managementebene und wissenschaftlicher Ebene eine besondere Bedeutung haben. In EURAD erfolgt die Zusammenarbeit in verschiedenen Arbeitspaketen, die den folgenden Kategorien zugeordnet werden können: Forschung und Entwicklung, strategische Studien, Wissensmanagement und Austausch mit der Zivilgesellschaft. Auf diese Weise werden mehr als 50 Organisationen zusammengebracht, darunter mit der Entsorgung beauftragte Einrichtungen, Technische Institutionen und Forschungseinrichtungen, die von ihren jeweiligen Ländern mit der Aufgabe der Entsorgung radioaktiver Abfälle betraut sind. Alle diese Institutionen an einen Ort zu bringen, sorgt für wichtigen Austausch: Der Stand des Wissens wird über Grenzen und Generationen hinweg geteilt, wissenschaftliche Erkenntnisse werden gemeinsam erarbeitet und der Erhalt des Wissens wird z. B. durch PhD-Workshops sichergestellt.

Im Arbeitspaket GAS (Work Package „Mechanistic understanding of gas transport in clay materials”) arbeiten Arbeitsgruppen mit Laborexperimenten und numerischen Modellierungen eng zusammen, um ein umfassendes Verständnis für Gastransportprozesse im Wirtsgestein Tonstein zu gewinnen. Durch die Korrosion metallischer Bestandteile im Endlager und durch weitere Prozesse kann im Endlager Wasserstoffgas freigesetzt werden, wodurch es zu einem Gasdruckaufbau kommen kann. Infolgedessen kann Gas durch die geotechnische und geologische Barriere migrieren. Bei hohen Gasdrücken können sich außerdem Mikrorisse im Gestein bilden, wodurch eine langfristige Änderung der hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften mit potenziell nicht wünschenswerten Folgen für die Barrierenintegrität möglich wird. Die im Arbeitspaket durchgeführten Experimente dienen letzlich als Validierung für numerische Modellvorstellungen.

Abb. 1: Workflow für die Modellimplementierung in OGS-6 Quelle: BGR

Zusätzlich zur Zusammenarbeit auf europäischer Ebene haben sich die BGR, BGE, TUBAF und das UFZ im „German Cluster“ zusammengetan, um ihre Arbeiten mit dem Forschungs-FEM-Code OpenGeoSys-6 (OGS-6) zu koordinieren. Input von Experimenten aus WP GAS wird so eingesetzt, um die numerischen Gastransportmodelle zu validieren und weiterzuentwickeln. Hierbei agieren die BGR und BGE als Codeanwender, die TUBAF und das UFZ als Codeentwickler (Abb. 1).

Das geschilderte Arbeitsschema der Codeimplementierung wird für die Entwicklung verschiedener Permeabilitätsmodelle angewendet. Wie in Sektion 2 dargestellt, können hohe Gasdrücke zu Dilatanz und folglich zu einer Erhöhung der Permeabilität führen. Um diesen Effekt abzubilden, wurden in einer vorausgegangenen Studie [3] diverse Modelle entwickelt, a) mit einem Deformationsabhängigen Ansatz, b) mit einem Gasdruckabhängigen Ansatz und c) mit einem Scherstressabhängigen Ansatz. Das German Cluster baut nun auf diesen Ansätzen auf: Zunächst werden die genannten Ansätze in OGS-6 implementiert und verifiziert bzw. validiert (Abb. 2). Die Modellimplementierung wird dabei dokumentiert (https://gitlab.opengeosys.org/ogs/ogs).

Abb. 2: Links: Experimentaufbau. p1 und p2: gas Injektionsdruck und Gegendruck. q0: Gasfluss am Auslass. Fax steht für einen konstanten axialen Stress. Rechts: Modellierungsergebnisse und Messergebnisse [2, 3] Quelle: BGR

Anschließend werden die Modelle gegen Experimente im WP GAS getestet und mit dem experimentellen Input weiterentwickelt. Zukünftige Arbeiten werden sich mit der Rissentstehung und -heilung befassen und auch Heterogenitäten im Gestein berücksichtigen. Eine weitere Herausforderung ist das Upskaling der auf Laborskala validierten Modelle zur vollen Endlagerskala.

Das EJP-EURAD project wird durch das European Grant Agreement No. 847593 unterstützt.

Referenzen:
[1] Naumov, D., Bilke, L., Fischer, T., Huang, Y., Lehmann, C., Miao, X.-Y., Nagel, T., 2018. Appendix a: OpenGeoSys-6. In O. Kolditz, T. Nagel, H. Shao, W. Wang, & S. Bauer (Eds.), Thermo-hydro-mechanical-chemical processes in fractured porous media: Modelling and Benchmarking (pp. 271-277). Springer International Publishing.

[2] Popp, T., Wiedemann, M., Böhnel, H., Minkley, W., 2007. Untersuchungen zur Barriereintegrität im Hinblick auf das Ein-Endlager-Konzept. Institut für Gebirgsmechanik GmbH, Leipzig, Germany.

[3] Xu, W.J., Shao, H., Hesser, J., Kolditz, O., 2014. Numerical modelling of moisture controlled laboratory swelling/shrinkage experiments on argillaceous rocks. Geological Society, London, Special Publications 400, 359 - 366 (http://dx.doi.org/10.1144/SP400.29).