Thermomechanics of swelling unsaturated porous media : compacted bentonite clay in spent fuel disposal

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Jussila, Petri
dc.date.accessioned 2012-02-24T08:45:50Z
dc.date.available 2012-02-24T08:45:50Z
dc.date.issued 2007-11-13
dc.identifier.isbn 978-952-478-266-1
dc.identifier.issn 0781-1705
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2945
dc.description.abstract A barrier of compacted bentonite clay is planned to be used in geological disposal of spent nuclear fuel. In addition to providing mechanical stability to the waste containers the barrier is supposed to prevent or delay the movement of groundwater and the consequential transport of radionuclides from the repository. Fluid flow, phase changes, mechanical behavior of the buffer, rock, and the containers, and the heat produced by the radioactive waste constitute a coupled thermo–hydro–mechanical (THM) system. The objective of the thesis is to model the coupled THM behaviour of the bentonite buffer. For this purpose a general thermomechanical and mixture theoretical model is derived and applied to the fully coupled THM description of swelling compacted bentonite. The particular form of the free energy of the system is chosen to take into account interactions of the mixture components, namely, mixing of the gaseous components (water vapor and air) and adsorption and swelling interactions between the liquid water and the solid skeleton. The mechanical part of the model is limited to reversible behavior within the limit of small strains. Numerical implementation is done with the multi-purpose finite element method software ELMER. The model is applied to various coupled experiments: two kinds of laboratory scale tests for Febex bentonite, larger scale mock-up and in-situ tests for Febex bentonite, and to three kinds of laboratory scale experiments for MX-80 bentonite. In addition, a brief consideration of the difference of the large scale Febex experiments and the real disposal situation is done by incorporating more realistic temperature evolutions of the containers. The inclusion of the mixing interaction yields Clausius-Clapeyron equations which are valid both for the total pressure (i.e. the boiling pressure) and for the partial pressure of saturated vapor. Additionally, together with an appropriate dissipation function the mixing interaction yields a common form of the Fick law. The adsorption interaction together with the mixing interaction yields a modified Clausius-Clapeyron equation for the vapor-liquid equilibrium inside the porous medium with suction as the macroscopic result. The swelling interaction yields the macroscopic swelling deformation and swelling pressure in confined condition. Together with the adsorption interaction function and the appropriate dissipation function a modified form of the Darcy law is obtained. The model is validated by the simulated experiments to reproduce the main coupled features of unsaturated swelling porous medium satisfactorily. The main results are related to the important questions of the evolution of resaturation and the final hydration stage. The observations for the Febex in-situ and, especially, Febex mock-up experiment exhibit an unexpected transient behaviour that the continuum model does not reproduce. This phenomenon is the fast initial wetting of the internal points of the buffer. This phenomenon is attributed here to the prewetting and, especially, to the anisotropic brick-wall like structure of the Febex buffer. Validation of this claim is based on the facts that the phenomenon is not encountered in the continuum mechanical simulations found in the literature, or in other experiments having a more homogeneous structure. Furthermore, by neglecting the initial transient by assuming a higher initial water content the simulation results are consistent with the observations after the transient. The simulations of the THM experiments predict a steady unsaturated state. Despite the artificial wetting a Febex type bentonite buffer will not fully saturate if a high temperature gradient prevails as in the experimental setups considered. In realistic disposal conditions the simulations do predict a fully saturated state. However, the predicted time to achieve the full saturation is longer than commonly expected for a Febex type buffer. The difference between the results for the experiments and for the realistic disposal conditions is due to the different heating powers and, consequently, different temperature profiles involved. en
dc.description.abstract Puristetusta bentoniittisavesta valmistetun puskurin käyttäminen kuuluu käytetyn ydinpolttoaineen geologisen loppusijoituksen suunnitelmiin. Puskurin tärkeimpiä tehtäviä jätekapselien mekaanisen tukemisen ohella ovat pohjaveden virtauksen estäminen ja radionuklidien kulkeutumisen hidastaminen loppusijoituskapselista kallioon. Nesteen ja kaasun virtaus, faasimuutokset, puskurin, kallion ja kapseleiden mekaaninen käyttäytyminen sekä radioaktiivisen jätteen tuottama lämpö muodostavat kytketyn termo–hydro–mekaanisen (THM) järjestelmän. Väitöskirjan tarkoituksena on mallintaa bentoniittipuskurin kytkettyä THM-käyttäytymistä. Tätä tarkoitusta varten johdettiin yleinen termomekaniikkaan ja seosteoriaan perustuva malli, jota sovellettiin paisuvan huokoisen aineen täysin kytketyn THM-käyttäytymisen kuvaamiseen. Järjestelmää kuvaamaan valittu vapaan energian lauseke ottaa huomioon seoskomponenttien vuorovaikutukset: kaasumaisten komponenttien eli vesihöyryn ja ilman sekoittumisen sekä nestemäisen veden ja kiinteän rungon väliset adsorptio- ja paisuntavuorovaikutukset. Mallin mekaaninen osuus rajoittuu palautuvaan käyttäytymiseen ja pieniin muodonmuutoksiin. Numeerinen laskenta toteutettiin ELMER-nimisellä elementtimenetelmäohjelmistolla. Mallilla simuloitiin useita kytkettyjä kokeita: kahdentyyppiset laboratoriomittakaavan kokeet Febex-bentoniitille, suuremman mittakaavan mock-up- ja in-situ-kokeet Febex-bentoniitille sekä kolmentyyppiset laboratoriomittakaavan kokeet MX-80-bentoniitille. Tämän lisäksi arvioitiin erikseen suuren mittakaavan Febex-kokeen ja todellisen loppusijoituksen olosuhteiden eroja simuloimalla realistisempia jätekapselin lämpötilakehityskulkuja. Sekoittumisvuorovaikutuksen ottaminen huomioon tuottaa Clausiuksen-Clapeyronin yhtälöt, jotka pätevät sekä kokonaispaineelle (eli kiehumispaineelle) että kylläisen höyryn osapaineelle. Tämän lisäksi sekoittumisvuorovaikutus yhdessä valitun dissipaatiofunktion kanssa tuottaa yleisesti tunnetun muodon Fickin laista. Adsorptiovuorovaikutus yhdessä sekoittumisvuorovaikutuksen kanssa tuottaa modifioidun Clausiuksen-Clapeyronin yhtälön, joka pätee höyryn ja nesteen tasapainolle huokoisen aineen sisäpuolella ja jonka makroskooppinen ilmenemismuoto on huokoisen aineen imupaine. Paisuntavuorovaikutus tuottaa makroskooppisen paisuntamuodonmuutoksen sekä paisuntapaineen tilavuudeltaan rajoitetuissa olosuhteissa. Adsorptiovuorovaikutusfunktio yhdessä valitun dissipaatiofunktion kanssa tuottaa modifioidun muodon Darcyn laista. Malli validoitiin simuloinneilla, joilla saatiin tyydyttävällä tavalla tuotettua keskeisimmät kokeellisesti havaitut paisuvan huokoisen aineen kytketyt ominaisuudet. Tärkeimmät tulokset koskevat puskurin kastumista ja sen lopullista kosteustilaa. Febex in-situ- ja etenkin mock-up-kokeessa on havaittu odottamaton alkutransientti, jota jatkuvan aineen malli ei toteuta. Tämä ilmiö on puskurin sisäosan mittapisteiden nopea kastuminen kokeen alkuvaiheessa. Ilmiön selitetään väitöskirjassa johtuvan sekä puskurin esikastelemisesta että etenkin Febex-bentoniittipuskurin anisotrooppisesta tiilimuuria muistuttavasta rakenteesta. Väite perustellaan seuraavilla tosiasioilla: ilmiötä ei ole havaittu jatkuvaan aineeseen perustuvissa simulaatioissa eikä sellaisissa kokeissa, joissa puskuri on mittauksen kannalta isotrooppisempi. Lisäksi tässä työssä simuloitu tulos vastaa havaintoa alkutransientin jälkeen, kun simulaatiossa oletetaan korkeampi alkutransientin jälkeistä tilaa vastaava alkukosteus. THM-kokeiden simuloinnit ennustavat alisaturoituneen tasapainotilan. Keinotekoisesta kastelusta huolimatta Febex-tyyppinen puskuri ei kastu täysin, mikäli kokeissa käytetty suuri lämpötilagradientti säilyy. Todellisia loppusijoitusolosuhteita vastaavat simuloinnit ennustavat puskurin täyden kastumisen. Ennustettu täyteen kastumiseen tarvittava aika on pidempi kuin yleisesti on otaksuttu Febex-tyyppiselle puskurille. Koetulosten ja realistisen loppusijoitustilanteen ero johtuu puskurin erilaisesta lämpötilaprofiilista, joka puolestaan johtuu todellisen jätekapselin ja sitä koetilanteessa simuloivan lämmittimen erilaisesta lämpötehosta. fi
dc.format.extent 190
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries STUK-A / Radiation and Nuclear Safety Authority en
dc.relation.ispartofseries STUK-A / Säteilyturvakeskus fi
dc.relation.ispartofseries 223 en
dc.subject.other Materials science en
dc.subject.other Energy en
dc.title Thermomechanics of swelling unsaturated porous media : compacted bentonite clay in spent fuel disposal en
dc.title Paisuvan huokoisen aineen termomekaniikka. Puristettu bentoniittisavi ydinjätteen loppusijoituksessa fi
dc.type G4 Monografiaväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Engineering Physics and Mathematics en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto fi
dc.subject.keyword engineered barrier en
dc.subject.keyword nuclear waste en
dc.subject.keyword coupled behavior en
dc.subject.keyword swelling en
dc.subject.keyword suction en
dc.subject.keyword adsorption en
dc.subject.keyword phase change en
dc.subject.keyword mixture theory en
dc.subject.keyword constitutive equations en
dc.subject.keyword mathematical modeling en
dc.subject.keyword tekninen este fi
dc.subject.keyword käytetty ydinpolttoaine fi
dc.subject.keyword loppusijoitus fi
dc.subject.keyword kytketty käyttäytyminen fi
dc.subject.keyword paisuminen fi
dc.subject.keyword imu fi
dc.subject.keyword imupaine fi
dc.subject.keyword adsorptio fi
dc.subject.keyword faasimuutos fi
dc.subject.keyword seosteoria fi
dc.subject.keyword konstitutiiviset yhtälöt fi
dc.subject.keyword matemaattinen mallintaminen fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-010739
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (monografia) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (monograph) en
dc.contributor.lab Institute of Mathematics en
dc.contributor.lab Matematiikan laitos fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account