Mättnad av buffert och återfyllning Allmänt

Säkerhetsfunktionerna för bufferten och återfyllningen förutsätter att ett fullständigt vattenmättat tillstånd råder. Detta borde betyda att bufferten och återfyllningen måste vara mättade för att fungera korrekt. Emellertid är det inte nödv ändigt med en fungerande buffert så länge deponeringshålet är omättat, eftersom ingen massöverföring mellan kapseln och grundvattnet i berget kan ske i det omät-tade stadiet. Vattenmättnadsprocessen har därför i sig själv ingen direkt inverkan på buffertens och återfyllningens säkerhetsfunktioner. Det är ändå viktigt att förstå vattenmättnadsprocessen, eftersom den definierar barriärernas tillstånd under förvarets tidiga utvecklingsskede. Slutligen kan ventilation av deponeringstunnlar under långa tidsperioder (före återfyllning av deponeringshålen och tunnlarna) medföra att det omgivande berget torkas ut. Denna luftfyllda porvolym i berget kan potentiellt utgöra en sänka för vattnet som finns i bufferten under installationen. Om en betydande mängd av detta vatten skulle transporteras in i berget, skulle detta eventuellt kunna leda till en betydande ökning av kapselytans högsta temperaturer och därmed påverka säkerhetsfunktionen Buff4.

Initialtillståndet för den installerade bufferten och återfyllningen redovisas i avsnitt 5.5.3 respektive 5.6.3. Både bufferten och återfyllningen installeras som kompakterade bentonitblock tillsammans med bentonitpelletar. Buffertblocken kommer att deponeras i deponeringshålen med ett initialt vatteninnehåll av 17 viktprocent.

Under det tidiga skedet av förvarsutvecklingen kommer de deponerade buffert- och återfyllnings-blocken att ta upp vatten från den omgivande berggrunden. Vattnet kommer att utvidga mineral flaken, varvid bufferten och återfyllningen kommer att börja svälla. Svällningen kommer att begränsas av bergväggen och ett svälltryck kommer att uppstå. Processen beror såväl på buffertens egenskaper som på de lokala hydrauliska förhållandena och tunnelåterfyllningens mättnadstillstånd. Mättnaden av återfyllningen beror huvudsakligen på dess materialegenskaper och förhållandena i det omgivande berget. Vid fullständig mättnad kommer buffertens och återfyllningens hydrauliska konduktivitet att vara mycket låg och svälltrycket kommer att vara högt. I detta avsnitt beskrivs den generella model-leringen av processerna och tillämpningen för den specifika platsen diskuteras. Följande utvärderas:

• Återfyllningens mättnad.

• Buffertens mättnad.

• Omfördelning av fukt i fallet med uttorkat berg.

• Tillämpbarheten för de hydrauliska förhållandena på förvarsplatsen vid Forsmark.

För SR-Site har buffertens och återfyllningens mättnad beskrivits av / Åkesson et al. 2010a/.

Fokus låg huvudsakligen på utvärderingen av betydelsen av olika parametrar och antaganden i modelleringen av processen. Modelleringen i / Åkesson et al. 2010a/ är generell och inga data från förvarsplatsen vid Forsmark har använts.

Återfyllningens mättnad

I / Åkesson et al. 2010a/ modellerades återfyllningens mättnad för flera olika geometrier och antaganden om data och randvillkor. En sammanfattning av de undersökta variationerna ges i tabell 10-2. Modeller-ingens primära syfte var att analysera hur lång tid som behövs för att återfyllningen ska bli mättad.

40 olika fall undersöktes i den primära variationen, däribland kombinationer av tunnelsektioner, representationer av återfyllning och inflöde i sprickor (eller tryck i gränsytor). 25 olika fall undersök-tes i de sekundära variationerna med hjälp av basfallsmodeller och modifierade egenskaper, däribland en EDZ, avlägsnande av sprickor samt modifierade hydrauliska konduktiviteter och retentionsegen-skaper. Tillvägagångssättet med primära variationer var till stor del ett försök att kartlägga effekterna av olika kombinationer av sektionsområden, representationer av återfyllning och inflöden i sprickor (eller tryck i gränsytor) för olika geometrier. De sekundära variationerna utfördes huvudsakligen med endimensionella modeller med förändrade bentonitegenskaper och med stora plana geometrier, med eller utan sprickor, samt med förändrade bergegenskaper.

Tabell 10-2. Sammanfattning av primära och sekundära variationer.

Variation

Primär Tunnelsektionsområde Två olika tunnelsektioner.

Representation av återfyllning Två och i vissa fall tre olika representationer.

Sprickors längd och orientering Två olika orienteringar: vertikal och horisontell.

Två olika längder för den vertikala orienteringen.

Sprickors transmissivitet Två olika transmissiviteter.

Sekundär Bergets hydrauliska konduktivitet Flera fall med olika hydrauliska konduktiviteter i berget.

Förekomst av EDZ Två fall med EDZ.

Avsaknad av sprickor Fem fall utan sprickor.

Vattenretention i berget Två fall med olika retentionskurvor.

Hydr aulisk konduktivitet i bentonit Fyra fall med olika hydraulisk konduktivitet.

Relativ hydraulisk konduktivitet i bentonit Två fall med olika relativ hydr aulisk konduktivitet.

Termisk utveckling Ett fall med termisk utveckling.

Hydromekaniska processer Ett fall med hydromekaniska processer.

Retention i bentonit Två fall med brantare retentionskurva.

Tunnelventilation Ett fall med 10 år av 70 procent relativ luftfuktighet.

Det huvudsakliga resultatet av varje analys var den tid som krävs för att fullständigt mätta åter-fyllningen, där den tid som behövs för att den sista noden ska uppnå 99 procents mättnadsgrad har definierats som mättnadstiden. I allmänhet kan antingen återfyllningen eller bergsystemet betraktas som den begränsande faktorn för bevätningshastigheten. Bevätningstider på ungefär 80 till 100 år, som ges av de endimensionella modellerna, anger tiden som det tar för återfyllningen att mättas full-ständigt med obegränsad tillgång på vatten. Längre tider än så representerar fall i vilka bergsystemet är begränsande.

Representationerna för de olika tunnelgeometrierna var:

• Endimensionell axisymmetrisk geometri.

• Tvådimensionella axisymmetriska geometrier med olika spricklängder (6 m och 24 m).

• En tvådimensionell plan geometri (se figur 10-48).

Effekten av en ojämn tunneldiameter med ett fall benämnt maximalt överberg (Maximum Fallout) under antagandet att tunnelns tvärsnittsarea är lika stor som den maximalt tillåtna tvärsnittsarean enligt figur 5-15, i vilken en större andel pelletar inkluderades.

Ett urval av de beräknade mättnadstiderna har sammanställts i figur 10-49. De streckade linjerna representerar basfallets egenskaper och två olika spricktransmissiviteter. Diagrammet åskådliggör effekterna av att, å ena sidan, förändra bentonitens egenskaper och, å andra sidan, ändra bergets egenskaper och spricklängder. Effekterna av olika bentonitegenskaper och andra variationer visas i den översta raden för en situation med obegränsad tillgång på vatten. Beroendet av bergmatrisens hydrauliska konduktivitet i en sprickfri miljö visas i den undre raden, medan mittraderna visar resultat för två olika spricklängder. Figuren visar således att den övergripande inverkan från berget på bevätningshastigheten är mycket högre än de osäkerheter som är kopplade till bentoniten.

Beräkningarna för en återfyllning med obegränsad tillgång på vatten resulterar i tidsskalor på ungefär 80 år. Ett fall utan sprickor och en hydraulisk konduktivitet i bergmatrisen på 10^–13 m/s resul-terar i tidsskalor på ungefär 6 000 år. Eftersom berget vid Forsmark förväntas innehålla mycket få vattenförande sprickor, normalt på längre avstånd från varandra än 100 m, är det svårt att fastslå att något av de redovisade fallen helt kan uteslutas. Det antas i SR-Site att mättnaden av återfyllningen kan ta allt från mindre än 100 år till ungefär 6 000 år beroende på läget i berget. Det är troligt att hela detta spann av mättnadstider kommer att finnas vid Forsmark.

Figur 10-48. Geometrin av analyserade tvådimensionella plana modeller. Teoretis kt tvärsnitt (till vänster) och maximalt överberg (till höger) / Åkesson et al. 2010a/.

2,50 m 2,00 m

2,14 m 3,57 m

0,80 m

3,65 m 1,23 m

4,01 m 1,43 m

Symmetriplan Symmetriplan

Spricka

Berg-matris

Berg-matris

Pelletar Pelletar

Återfyllnings-block

Återfyllnings-block Spricka

Buffertens mättnad

Buffertens vattenmättnadsprocess påverkas utifrån av bergets och återfyllningens bevätande och uttorkande verkan samt av uppvärmningen från kapseln. Från bergsidan transporteras vatten inåt i bufferten genom ”advektivt” flöde i densamma, medan ånga transporteras utåt från kapseln genom diffusion. Det advektiva flödet drivs av vattnets tryckgradient och det diffusiva flödet drivs av ångans koncentrationsgradient.

Transportegenskaperna beror på materialens tillstånd vad gäller mättnadsgrad och temperatur. De olika retentionsegenskaperna hos buffertens beståndsdelar (cylinder- och ringformade block och den pelletfyllda spalten) kommer också att påverka vattentransporten i bufferten. Buffertens mättnad har beräknats i / Åkesson et al. 2010a/ för ett antal fall med olika tillstånd och förutsättningar:

• Pelletar och block eller ett homogeniserat material.

• Icke uppsprucken berggrund.

• Berggrund med sprickor.

• Effekten av en extremt låg hydraulisk konduktivitet i berget.

• Beroendet av bergets hydrauliska konduktivitet.

• Effekten av högre vattenretention i berget.

• Effekten av en initialt ventilerad tunnel.

• Effekten av förändrad retention i blocken.

• Effekten av förändrad hydraulisk konduktivitet i bufferten.

Fallen har valts ut med utgångspunkt från identifieringen av betydelsefulla parametrar i Processrapporten för bufferten, återfyllningen och förslutningen.

10 100 1 000 10 000

Mättnadstid (år) Sprickavstånd 6 m

Sprickavstånd 24 m

10^-13

Teoretisk sektion Maximalt bergutfall

Teoretisk sektion Maximalt bergutfall

Hög transmissivitet Låg transmissivitet

BK2 T BR BK06

HM Basfall

Endast återfyllning

Maximalt bergutfall Hydrostatiskt tryck

Inga sprickor

Maximalt bergutfall S_r²

S_r⁴

10^-10 10^-11 10^-12 5·10^-13

Figur 10-49. Sammanställning av mättnadstider för återfyllningen för olika geometrier och fall. Resultat från endimensionella modeller med obegränsad tillgång på vatten visas i översta raden (BK2: med för-dubblad hydraulisk konduktivitet för återfyllningen; T: med termisk utveckling och temperaturberoende för vattnets viskositet; Sr² och Sr⁴: med kvadratiskt och bikvadratiskt mättnadsberoende samband för återfyll-ningens relativa hydrauliska konduktivitet – basfallet har ett kubiskt beroende; HM: med hydromekaniska processer; BR: med brantare vattenretentionskurva; BK06: med 40 procent lägre hydraulisk konduktivitet för återfyllningen). Resultat från tvådimensionella axisymmetriska modeller med olika sprickrepresentatio-ner visas i mittraderna. Resultat från plana tvådimensionella modeller utan sprickor visas på bottenraden (värden på bergets hydrauliska konduktivitet indikerade). De streckade linjerna representerar basfallets egenskaper och två olika spricktransmissiviteter / Åkesson et al. 2010a/.

Buffertens mättnadstider (tiden där Sl ≥ 0,99 (vätskemättnad) i hela bufferten), för alla de termo-hydrauliska simuleringar (TH-simuleringar) för ett deponeringshål som redovisas i / Åkesson et al.

2010a/, visas i figur 10-50. De horisontella linjerna representerar fallen som anges till höger om linjerna där även den ”mekaniska förutsättningen” anges, varvid homogeniserad hänför sig till ett initialt homogeniserat buffertmaterial medan initialtillstånd avser fallet med block och pelletar.

Konceptet att använda en modell för homogeniserat tillstånd och initialtillstånd syftar till att få fram två extrema lösningar som begränsar det ”sanna fallet” (i vilket mekanik, dvs homogeniserings-processen, ska inkluderas). Under den nedre linjen (Initialt Sprickfritt berg) visas den bergkonduk-tivitet som använts. De streckade linjerna binder ihop modeller med identiska bergkondukbergkonduk-tiviteter.

Intill den undre linjen anges (med ofyllda cirklar) de positioner i modellerna där bufferten omvandlades. En utförligare beskrivning av fallen finns i / Åkesson et al. 2010a/.

Resultaten av beräkningarna visar följande (se figur 10-50):

• I allmänhet ger antagandet av en homogeniserad buffert längre mättnadstider än med pelletar och block. Undantaget är när mättnaden sker mycket långsamt, då mättnadsprocessen går snabbare för den homogeniserade bufferten.

• För sprickfri berggrund har bergkonduktiviteten stor betydelse för mättnadstiden. För en berg-konduktivitet på 10^–11 m/s kommer mättnadstiden att pågå ungefär 20 år, medan det kommer att ta mer än 150 år då konduktiviteten är 10^–12 m/s.

• Om en horisontell spricka införs i modellen med sprickfritt berg, antingen på kapselns mitt i höjdled (CMH) eller i tunnelväggen, minskar mättnadstiden avsevärt, speciellt när bergets konduktivitet är låg.

• För att undersöka effekten av ett berg med låg transmissivitet infördes en låg bergpermeabilitet på 10^–20 m², motsvarande en hydraulisk konduktivitet på ungefär 10^–14 m/s, i modellen för sprickfritt berg. Hela bergmassan som omger det modellerade deponeringshålet och som är knuten till tunnelrepresentationen tilldelades denna extremt låga permeabilitet. Vattnet som kommer in i återfyllningen och bufferten måste gå igenom bergmatrisen (det finns inte några sprickor), vilket drivs av vattentryckgradienten. De uppnådda mättnadstiderna var 1 760 och 1 476 år för block-pelletmodellen respektive modellen för homogeniserade förhållanden.

• För ett berg med hög hydraulisk konduktivitet, dvs om bergkonduktiviteten är högre än 10^–11 m/s, visar beräkningarna att mättnadstiden är mer eller mindre oberoende av bergets hydrauliska konduktivitet.

• Om en retentionskurva för berget med högre grad av vattenretention (kraftigare sug ger samma grad av vattenmättnad) används så påverkar detta inte buffertens mättnadstid i större omfattning.

• Effekten av olika grad av relativ fuktighet i berget undersöktes genom att först modellera systemet utan bufferten/återfyllningen/kapseln och sedan använda det resulterande tryckfältet som ett initial-tillstånd i modellen med alla komponenter inkluderade. Två fall undersöktes: ett dränerat initial-tillstånd (relativ luftfuktighet = 100 procent) och ett ventilerat tillstånd (relativ luftfuktighet = 70 procent).

Bergets hydrauliska konduktivitet påverkar effekten av relativ luftfuktighet på vattenmättnaden i det omgivande berget, och i förlängningen bentonitens mättnadstid. En lägre hydraulisk konduktivitet i berget medför att en mindre bergvolym påverkas och även att återmättnaden tar längre tid. En stor effekt iakttogs endast för det ventilerade fallet, med 70 procent relativ luftfuktighet, för både låg och hög hydraulisk konduktivitet i berget. Mättnadstiderna förlängdes från 21 till 28 år för berg med hög konduktivitet, och från 177 till 233 år för berg med låg konduktivitet, under antagandet att ventilerade förhållanden råder. Antagandet om 70 procent relativ luftfuktighet är emellertid mycket extremt.

• Effekten av vattenretention i blocken undersöktes också. Detta gjordes genom att retentionskurvan modifierades i måttlig utsträckning. För mättnadsgrader som är högre än initialtillståndets sänktes kurvan, medan kurvan låg nära den ursprungliga kurvan för lägre mättnadsgrader. Detta ledde till att mättnadstiden för berg med hög konduktivitet ökade från 21 till 26 år, medan mättnadstiden för berg med låg konduktivitet ökade från 177 till 192 år.

• Förändringar av buffertens permeabilitet inom ett intervall från 0,6 till 2 gånger det ursprungliga värdet hade inte någon betydande effekt på mättnadstiden. Intervallet av värden på permeabilite-ten valdes utifrån en utvärdering av en relativt stor mängd experimentella data. Detta behandlas utförligare i den datarapport som är inriktad mot THM-modelleringen av bufferten, återfyllningen och andra systemkomponenter / Åkesson et al. 2010b/.

Utöver de undersökta fallen finns det vissa ytterligare osäkerheter i beskrivningen av mättnads-processen:

• Effekten av den antagna axiella symmetrin, vilken reducerar problemet till två dimensioner, har inte undersökts.

• Den inre spalten (mellan kapselns vertikala gränsyta och bentonitblocken) som initialt finns i bufferten, har utelämnats i modellerna. Denna effekt har dock tagits med i beskrivningen av den termiska utvecklingen, se avsnitt 10.3.4.

• Sambandet mellan resultatet av beräkningar av mättnad i TH-modeller och termo-hydro- mekaniska modeller (THM-modeller) har endast undersökts för snabba mättnadsprocesser.

• Avseende avståndet till randen där det hydrauliska tryckrandvillkoret applicerats, 60 m ovanför förvaret, har strategin varit att studera data för bergegenskaperna vid förvarsplatsen i Forsmark och att utveckla en relevant representation. Detta avstånd är grundat på avståndet till en mer genomsläpplig del av berget som karakteriserats vid Forsmark.

• Betydelsen av diskretiseringen i det rutnät som används i modellerna har endast undersökts i begränsad omfattning.

Dessa osäkerheter kan inverka på de beräknade tiderna, men de förväntas inte påverka slutsatserna och den generella förståelsen av fallen med bevätning.

Figur 10-50. Sammanställning av buffertens mättnadstider (tiden då graden av vätskemättnad Sl uppnått 0,99 i hela bufferten) för alla TH-simuleringar av ett deponeringshål. Texten till höger om linjerna visar representationen av berget: Sprickfri berggrund, CMH-spricka (Canister Mid-Heig ht; spricka på kapselns mitt i höjdled), T-spricka (tunnelspricka) och retention i berg (förändrad vattenretentionskurva i berget). I de tre första fallen (nerifrån och upp) har bufferten representerats som i initialtillståndet (Initial), med existerande block och pelletfyllda spalter, och som i ett fullständigt homogeniserat tillstånd (Homogeniserad), vilket anges till höger om de motsvarande horisontella linjerna. I fallet med retention i berg har endast representationen för buffertens initialtillstånd använts. Resultaten som erhölls då samma bergkonduktivitet användes, som anges under den nedre linjen, har förbundits med streckade linjer.

Resultaten av att ändra buffertens hydrauliska konduktivitet eller blockens retention markeras med röda respektive svarta cirklar / Åkesson et al. 2010a/.

1 10 100 1 000 10 000

Buffertens mättnadstid (år)

Sprickfritt berg Retention i block

Buffertpermeabilitet Homogeniserad

Homogeniserad

Initial Initial retention i berg

Homogeniserad T-spricka Initial

Spricka mitt för kapseln Initial

K = 10^-10 K = 10^-11 K = 10^-12 K = 10^-13

Spridning av fukt i fallet med uttorkat berg

Ventilationen av deponeringstunnlar under långa tidsperioder (före återfyllning av deponeringshålen och tunnlarna) kan medföra att det omgivande berget torkas ut. Denna luftfyllda porvolym i berget kan potentiellt utgöra en sänka för vattnet som finns i bufferten under installationen. Om en större mängd av detta vatten vandrar in i berget, skulle det eventuellt kunna leda till en betydande ökning av kapselytornas högsta temperaturer.

Omfördelningen av fukt i bufferten i ett deponeringshål för ett fall med en torr omgivande bergmassa har studerats i / Åkesson et al. 2010a/. Huvudsyftet med denna studie var att undersöka effekten av omfördelningen av vatten i bufferten i ett torrt deponeringshål på värmeledingsförmågan i skilda delar av bufferten. Resultatet av undersökningen (ett område där vattenmättnadsdata omvandlats till värmeledningsförmåga) användes som ett fall i beräkningarna av den termiska utvecklingen, se avsnitt 10.3.4 ovan. Även om de torra förhållandena innebär att temperaturen ökar, visar dessa analyser att bufferttemperaturerna ligger kvar på nivåer som är lägre än det högsta tillåtna värdet.

Tillämpbarhet för de hydrauliska förhållandena som råder på förvarsplatsen vid Forsmark

Studien av buffertens och återfyllningens mättnad i / Åkesson et al. 2010a/ utfördes som en känslighets-studie. Egenskaperna hos både de tekniska barriärerna och det omgivande berget valdes så att de täcker in ett brett spann av kombinationer. Ingen platsspecifik information användes.

I avsnitt 10.3.6 redovisas en analys av vatteninflödet till tunnlar med olika egenskaper vid förvars-platsen i Forsmark. Även för en tunnel som mättas snabbt kommer det att ta mer än 50 år innan tunneln mättas, se figur 10-24. Men även den tunnel som mättas långsamt ligger väl inom det intervall som presenteras i figur 10-49. Som uppgavs i början av det här avsnittet har mättnadstiden inte någon direkt inverkan på förvarets funktion och den rumsliga variationen på platsen kommer inte att påverka säkerheten.

Identifierade osäkerheter och deras hantering i SR-Site

Mättnadstiden för både återfyllningen och buffe rten sträcker sig från några tiotals år till flera tusen år. Det är troligt att exempel från hela det här tidsintervallet kommer att bli verklighet vid Forsmark, eftersom egenskaper hos berget (hydraulisk konduktivitet i bergmatrisen och förekomst av sprickor och deras egenskaper) är de primära styrande faktorerna medan egenskaper hos återfyllning och buffert har underordnad betydelse.

In document Huvudrapport från projekt SR-Site Del II (Page 92-98)