Institutsbericht 2021
1.9
Institute of Computational Physics
3D-Porenmikrostrukturen und Computersimulation: effektive Permeabilitäten und Kapillardruck bei der Entwässerung in Opalinuston
In der vorliegenden Arbeit wurden Modellporenstrukturen von Opalinuston verwendet, um kritische Materialeigenschaften in Bezug auf den Gastransport vorherzusagen. Dies ist wichtig, weil Gesteine wie der Opalinuston als potenzielle Wirtsgesteine für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Betracht kommen. Dabei sind diese Transporteigenschaften im Zusammenhang mit der Entstehung von Gas, wie beispielsweise durch Korrosion der Abfallbehälter, und dessen anschliessendem Transport durch das den radioaktiven Abfall umgebende Gesteinsmaterial von Interesse. Das produzierte Gas kann durch verschiedene Transportprozesse (z. B. Diffusion, Advektion, Zweiphasenströmung etc.) vom Ort der Entstehung durch das Gestein transportiert werden. Hier liegt der Schwerpunkt auf dem sogenannten Zweiphasentransport, bei dem das erzeugte Gas das Wasser in den Poren als separate Phase verdrängt. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
L. Keller Nagra, EURAD Nagra, EURAD 2020–2023
Die 3D-Rekonstruktion des Porenraums in Opalinuston ist mit der Schwierigkeit konfrontiert, dass hochauflösende Abbildungsmethoden bei den nanometergrossen Poren in diesem Material an ihre Grenzen stossen. Bislang war es nicht möglich, den gesamten Porenraum mit Porengrössen, die zwei Grössenordnungen überspannen, abzubilden. Daher war es bisher nicht möglich, die Transporteigenschaften dieses Materials mit Hilfe von Computersimulationen, die 3D-Porenstrukturen als Input benötigen, vorherzusagen. Dem Konzept der Selbstähnlichkeit folgend wurde aus einer realen, aber unvollständigen Porenstruktur eine digitale Porenmikrostruktur konstruiert.
Die konstruierte Porenstruktur hat das gleiche Porengrössenspektrum wie im Labor gemessen. Mit Hilfe von Computersimulationen wurden Kapillardruckkurven während der Drainage vorhergesagt, die ebenfalls mit den Labordaten übereinstimmen. Es wird vorhergesagt, dass die Zweiphasentransporteigenschaften wie die Entwicklung der effektiven Permeabilität sowie der Kapillardruck während der Drainage sowohl von den Transportrichtungen abhängen, was für Opalinuston bei der Beurteilung seiner Eignung als Wirtsgestein für Atommüll berücksichtigt werden sollte. Diese Richtungsabhängigkeit wird auf der Porenskala durch eine geometrische Anisotropie im Porenraum kontrolliert.
Abbildung 1: Grafische Zusammenfassung des Projekts.
Zürcher Fachhochschule
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