Coupled thermo-hydro-chemical-mechanical models for the bentonite barrier in a radioactive waste repository

Abstract

[Abstract] Compacted bentonite is foreseen in several countries as a backfill and sealing material for high-level radioactive waste (HLW) disposal. The long-term performance assessment and the evaluation of the safety of a HLW repository requires the use of numerical models dealing with the thermal (T), hydrodynamic (H), chemical (C) and mechanical (M) processes and their interplays. This dissertation presents coupled THCM models of the bentonite barrier of HLW repositories in clay and granite. The models account for the geochemical processes taking place within the bentonite as well as the interactions of the bentonite with the concrete liner and the corrosion products of the metallic canister. The THCM code INVERSE-FADES-CORE has been updated, extended to deal with reactive gaseous phases, verified and benchmarked against other codes. Coupled THCM numerical models have been applied to: 1) Small-scale heating and hydration laboratory tests performed by CIEMAT on compacted FEBEX (Full-scale Engineer Barrier Experiment) bentonite and its interactions with corrosion products and concrete; 2) FEBEX mock-up and in situ tests; 3) Long-term reactive transport model predictions of HLW repositories in granite and clay rocks. The results of the numerical models of the lab and in situ tests show a good agreement with the measured data.

[Resumen] La bentonita compactada es el material previsto para el relleno y sellado de los residuos radioactivos de alta actividad (RAA) en un almacenamiento geológico profundo (AGP). La evaluación del comportamiento y de la seguridad de un AGP requiere utilizar modelos numéricos acoplados térmicos (T), hidrodinámicos (H), químicos (Q) y mecánicos (M). En esta tesis se han desarrollado modelos acoplados THQM de la barrera de bentonita para el AGP en granito y en arcilla. Los modelos tienen en cuenta los procesos geoquímicos que tienen lugar en la bentonita y sus interacciones con el hormigón y con los productos de corrosión del contenedor metálico. Los modelos se han realizado con una versión del código THQM INVERSE-FADES-CORE que se ha mejorado para tener en cuenta el transporte reactivo de gases en la fase gaseosa y se ha verificado y comparado con otros códigos. Se han realizado modelos numéricos THQM de: 1) Ensayos de laboratorio; 2) Ensayos FEBEX (Full-scale Engineer Barrier Experiment) en maqueta e in situ; 3) Predicciones de la evolución geoquímica a largo plazo de la barrera de bentonita en un AGP en granito y en arcilla. Los resultados de los modelos numéricos muestran un buen ajuste a los datos medidos.

[Resumo] A bentonita compactada é o material previsto para o recheo e selado dos residuos radioactivos de alta actividade (RAA) nun almacenamento xeolóxico profundo (AXP). A avaliación do comportamento e da seguridade dun AXP precisa de modelos numéricos acoplados térmicos (T), hidrodinámicos (H), químicos (Q) e mecánicos (M). Nesta tese desenroláronse modelos acoplados THQM da barreira de bentonita para o AXP en granito e arxila. Os modelos teñen en conta os procesos xeoquímicos que teñen lugar na bentonita e a súas interaccións co formigón e cos produtos de corrosión do contenedor metálico. Os modelos fixéronse con unha versión do código THQM INVERSE-FADES-CORE que se mellorou para ter en conta o transporte reactivo de gases na fase gaseosa e que se verificou e comparou con outros códigos. Fixéronse modelos numéricos THQM de: 1) Ensaios de laboratorio de hidratación e quecemento de mostras de bentonita FEBEX (Full-scale Engineer Barrier Experiment) compactada e a súas interaccións con produtos de corrosión e formigón; 2) Ensaios FEBEX en maqueta e in situ; 3) Predicións da evolución xeoquímica a longo prazo da barreira de bentonita nun AXP en granito e arxila. Os resultados dos modelos numéricos amosan un bo axuste aos datos medidos