SSM perspective
Bakgrund och syfte
Högaktivt radioaktivt avfall, såsom använt kärnbränsle, kommer att fortsätta generera värme under en lång tid. Restvärmen resulterar i en termisk expansion av berget kring förvaret, vilket kan framkalla deformationer i spricksystemet. Närfälts-effekter kan innebära termiskt inducerad glidning längs en spricka som korsar ett deponeringshål. Fjärrfälts-effekter kan innebära reaktivering av förkastningar, vilket kan generera en dynamisk störning i spricksystemet genom seismisk belastning. Den termiskt inducerade deformationen kan även påverka permeabiliteten i det omkringliggande berget. Det är därför viktigt att förstå hur restsvärmen påverkar det omkringliggande bergets hydrauliska och mekaniska egenskaper. För att ytterligare utforska den potentiella termiska påverkan på bergmassan genomfördes ett forskningsprojekt som delades upp i två huvuddelar: laboratorieexperiment av termiskt inducerad sprickglidning och numerisk modellering.
Resultat och slutsatser
Tre typer av sprickytor studerades i experimentet: en slät, sågad sprickyta; en halv-skrovlig sprickyta där ena sidan deformerats genom lasermärkning; samt en skrovlig sprickyta skapad genom spräckning. Experimentet indikerar att sprickans skrovlighet har en betydande inverkan på omfattningen av den skjuvrörelse och sprickvidgning som uppstår till följd av ökad termisk spänning. Jämfört med de sågade och lasermärkta ytorna uppvisade sprickytorna från spräckning de största normal- och skjuvrörelserna. Den progressiva ökningen av både skjuv- och normalrörelse för dessa skrovliga sprickor under termisk belastning understryker behovet av att ta hänsyn till värmeutvidgning orsakad av restvärmen. I ett slutförvar för kärnavfall kan dessa rörelser längs skrovliga sprickytor potentiellt förändra sprickviddens fördelning och sprickornas konnektivitet, vilket i sin tur påverkar bergmassans långsiktiga integritet och dess hydrogeologiska egenskaper.
Numerisk modellering utfördes i simuleringskoden Particle Flow Code 3D (PFC3D), där den kristallina bergmassan från experimentet representerades som en partikelansamling. Två scenarier utvärderades för att modellera den skrovliga sprickytan: ett s.k. ”mated” fall, karaktäriserat av en hög grad av initial sammankoppling där kontakten representeras av släta fogsegment (smooth joint segments), och ett s.k. ”unmated” fall. I det senare fallet introducerades en avsiktlig förskjutning på 2–3 mm längs sprickplanet för att reducera sammankopplingen och simulera effekterna av tidigare skjuvrörelser. För unmated fallet användes parallella bindningar mellan mindre partiklar längs den skrovliga sprickytan som ersättning för de släta fogkontakterna.
PFC3D-modellen fångar mycket effektivt den tidsmässiga temperaturutvecklingen i hela partikelansamlingen under den simulerade termiska belastningen. Kurvorna för skjuv- och normalrörelse stämmer också väl överens med de experimentella resultaten, vilket validerar PFC3D-simuleringen som metod. Även om de kumulativa mängderna av simulerad skjuv- och normalrörelse tenderar att ligga lägre än de som observerades i termoskjuvningsexperimentet är den initiala snabba ökningen följt av en långsammare, stadig ökning av skjuvningsrörelsen konsistent med den initiala snabba uppvärmningen under den termiska belastningsfasen. Den simulerade termiska spänningsuppbyggnaden åtföljs av språng i skjuvningsrörelsen, vilket tyder på höga glidhastigheter. Till skillnad från plana sprickor uppvisar den skrovliga sprickytan en mer heterogen rumslig fördelningen av skjuvrörelse och spänning. Särskilt i fallet med hög sammankoppling, som representeras av den passande sprickmodellen, finns potential för att stora mängder tryckspänning ackumuleras innan den frigörs i plötsliga skjuvningshändelser. Dessa resultat understryker vikten av att ta hänsyn till en sprickas råhet vid simulering av termomekaniska processer i ett sprucket berg.
Rekommendationer
En av de främsta säkerhetsutmaningarna för ett slutförvar rör vattengenomströmning till och från deponeringshål, då detta kan påverka de tekniska barriärernas integritet. Studier visar att när skjuvningsrörelser orsakar sprickvidgning, ökar sprickvidden på ett heterogent sätt, vilket kan skapa nya flödesvägar för grundvattnet. Detta är av särskilt intresse i sprucket kristallint berg, där permeabiliteten är starkt beroende av sprickornas konnektivitet. Detta understryker behovet av mer detaljerad modellering som explicit inkluderar sprickytornas råhet och dess inverkan på permeabilitetens utveckling.