Impact of thermal background stresses on the rock reinforcement of a nuclear waste repository

Abstract

The stability of the deep underground spaces in a nuclear waste repository environment is compromised most severely by two factors; the high in-situ stress and thermally induced stresses that take place after the application of bolts and shotcrete. A new approach for modelling the effect of these issues is explored and presented in this thesis. Here the numerical modelling software 3DEC is used to model a hypothetical repository by combining publicly available data from repository projects, showcasing a worst-case scenario for a repository situated in a Precambrian bedrock environment. The construction of the hypothetical model is presented in detail to provide an understanding of modelling a repository in 3DEC.

As brittle failure of the rock mass is expected, the elasto-plastic, Mohr-Coulomb based cohesion-softening-friction-hardening has been chosen as the constitutive model for the rock mass. The joint behavior is modelled by the elasto-plastic Coulomb slip constitutive model. The results from the hypothetical scenario are analyzed qualitatively to indicate what are potentially some critical locations and behavior mechanisms that compromise the long-term stability in a nuclear waste repository environment.

The thesis elaborates to what extent is 3DEC suitable for evaluating the operational stability of a nuclear waste repository and what kind of damage is plausible in a nuclear waste repository environment. The boundaries of the excavation in large openings in the hypothetical model experience the largest displacements, both due to in-situ and thermal stresses. Some shear and normal displacements in joints are modelled. The thermal phase stresses and displacements cause issues in the integrity of the shotcrete and yielding in the bolts, both in normal and shear. In addition, significant shortcomings in the shotcrete model of 3DEC are discovered.

Syvällä maan alla sijaitsevassa ydinjätteen loppusijoituslaitoksessa esiintyy pääasiassa kaksi stabiliteettia vaarantavaa tekijää; korkea jännitystila sekä lämpötilan nousun aiheuttama jännitystilan muutos, joka tapahtuu pulttien ja ruiskubetonin asennuksen jälkeen. Tässä työssä esitellään ja tutustutaan uuteen lähestymistapaan, millä voidaan mallintaa edellä mainittujen tekijöiden vaikutus tunneleihin. Työn puitteissa numeerista mallinnusohjelmaa 3DEC käytetään hypoteettisen loppusijoituslaitoksen mallin rakentamiseen. Mallissa yhdistellään julkisesti saatavilla olevia lähtötietoja eri loppusijoituskohteista niin, että malli kuvastaa pahinta mahdollista tapausta loppusijoituslaitoksesta esikambrisessa kalliossa. Lukijalle annetaan ymmärrys 3DEC-ohjelmiston käytöstä ydinjätteen loppusijoitusympäristössä esittelemällä mallinnusprosessi yksityiskohtaisesti.

Kallion käyttäytymisen kuvailuun on työssä käytetty elasto-plastista Mohr-Coulomb-perusteista cohesion-softening-friction-hardening mallia, jossa materiaalin koheesio heikkenee ja kitkakulma kasvaa plastisen deformaation myötä. Rakopintojen käyttäytymisen mallintamisessa on käytetty Coulomb slip mallia. Hypoteettisen mallin tuottamia tuloksia tarkastellaan kvalitatiivisesti, minkä perusteella arvioidaan pitkäaikaisstabiliteetin kannalta kriittisiä paikkoja ja käyttäytymismekanismeja loppusijoitusolosuhteissa.

Tässä työssä käsitellään 3DEC-ohjelmiston soveltuvuutta ydinjätteen loppusijoitusympäristön täytönaikaisen pitkäaikaisstabiliteetin arvioimiseen ja minkälaisia vaurioitumismekanismeja on odotettavissa ydinjätteen loppusijoitusympäristössä. Hypoteettisen mallin avoimessa risteysalueessa ilmeni suurista lämpö- ja kalliojännityksistä johtuvia huomattavia siirtymiä louhintapinnoilla. Mallin rakopinnoilla ilmeni normaali- ja poikkisuuntaisia siirtymiä. Lämmön nousuvaiheessa esiintyvät jännitystilan muutokset sekä siirtymät aiheuttavat ongelmia ruiskubetonin kestävyydessä. Osa pulteista saavutti myötölujuuden niin vedossa kuin leikkauksessakin. Lisäksi ruiskubetonin mallintamisessa 3DEC-ohjelmiston avulla havaittiin merkittäviä puutteita.