Hintergrund

Das Sandwich-Hauptprojekt (HP) untersucht den Verschluss von Schacht- und Streckenbauwerken mit Hilfe des Sandwich-Dichtungssystems. Dieses besteht abwechselnd aus abdichtenden (z.B. Bentonit) und ausgleichenden Segmenten (z.B. Sand, der eine höhere hydraulische Leitfähigkeit besitzt). Die Schichtstruktur verteilt eindringende Flüssigkeit gleichmäßig über den Querschnitt des Schachtes. Dies führt zu homogener Sättigung und Quellung der Dichtsegmente, was wiederum den Flüssigkeitsstrom zwischen Wirtsgestein bzw. Oberfläche und Endlager begrenzt. Im Schweizer Untertage-Forschungslabor Mt. Terri werden In-situ-Versuche des Sandwich-Dichtungssystems durchgeführt. Der sogenannte halbtechnische Versuch (HTV) schließt die Lücke zwischen kleinmaßstäblichen Laborversuchen und großskaligem In-situ-Versuch, indem er einen "halbskaligen" Maßstab anwendet und kontrollierte Randbedingungen vorgibt.

Ziel dieser Experimente und ihrer Modellierung ist es insbesondere, zu verstehen, mit welchen Mehrfeld-Ansätzen die Porendruckentwicklung und Spannungsumlagerung infolge der Bentonitquellung in einem Sandwich-Dichtungssystem berechnet werden können. Das Hauptziel der Simulation der HTV-Tests besteht darin, den Anstieg des Quelldrucks zu untersuchen, der das Material verdichtet, den Porenraum verkleinert und somit den Flüssigkeitsstrom verringert. Von besonderem Interesse bei der Skalierung von Labor- zu Felddaten sind der Einfluss der Wandreibung und inhomogene irreversible Verdichtungseffekte. Dafür entwickeln wir Modelle, die das hydraulische und mechanische Verhalten von Bentonit bei ungesättigten Verhältnissen beschreiben können. Nicht nur die Beschreibung der individuellen Prozesse durch Bilanzgleichungen und konstitutive Beziehungen, sondern gerade deren Kopplung stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da dabei u.a. unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen berücksichtigt werden müssen. Die Modellierungsergebnisse werden mit Messungen des Flüssigkeitsdrucks und der Sättigung sowie der radialen und axialen Spannungen im gesamten Aufbau verglichen. Durch die Modellierung solcher Experimente im halbtechnischen Maßstab wird das Verständnis und die Eignung der Modelle in Bezug auf die beteiligten Prozesse getestet, verbessert und schließlich demonstriert.

Das Sandwich-HP ist in das internationale Forschungsprojekt DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments (DECOVALEX) eingebunden (vgl. decovalex.org). DECOVALEX hat die Weiterentwicklung von gekoppelten thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischen Modellen zum Ziel. Hintergrund ist die Unterstützung von Geotechnologien wie z.B. Geothermie aber auch geologischen Entsorgungsoptionen für (hoch-)radioaktive Stoffe. Kern der Initiative ist der Vergleich der Ergebnisse diverser numerischer Prozessmodelle mit aufwändigen Experimenten aus einem breiten Spektrum von Labor- bis hin zu großmaßstäblichen Feldversuchen zum Zwecke der Modellentwicklung und -validierung.

Das Projektteam der TUBAF wird finanziert von der Bundesgesellschaft für Endlagerung BGE.

Projektplan

Das Projekt ist in vier Arbeitspunkte (mit Teilschritten) unterteilt:

AP 1: Weiterführung des In-situ-Experiments (Mt. Terri)

• 1.1 – 1.4: Jährliche Datenberichte zur Jahresmitte

AP 2: Begleitendes Laborprogramm (TU BA Freiberg)

• M2.1 – M2.3: Abschluss der HTV-10 bis HTV-12 mit zugehörigen Quelldruck- und MiniSandwichversuchen

AP 3: Interpretative Modellierung

• 3.1: Vereinfachtes 3D-Modell des In-situ-Versuchs
• 3.2: Kalibrierung des Bentonitmodells für erhöhten Einpressdruck
• 3.3: Benchmark HTV
• 3.4: Abschluss-Simulation In-situ-Versuch und Schachtverschlusssystem

AP 4: Projektkoordination und Dokumentation

• M4.1 – M4.4: Jahresberichte
• M4.5: Abschlussbericht