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Technical Report NTB 99-09
Coupled Transport Phenomena in the Opalinus Clay: Implications for Radionuclide Transport
Gekoppelte Prozesse (thermische und chemische Osmose, Hyperfiltration, gekoppelte Diffusion, thermische Diffusion, thermische Filtration, Dufour-Effekt) können eine wichtige Rolle spielen beim Transport von Wasser, Wasserinhaltsstoffen und Wärme durch tonreiche Formationen, wie z. B. den Opalinuston (OPA), welche als mögliche Wirtsgesteine für eine Endlager für radioaktive Abfälle angesehen werden. In der vorliegenden Studie werden die möglichen Auswirkungen der gekoppelten Prozesse auf den Radionuklid-Transport in der Nähe eines im Opalinuston gelegenen Endlagers für verglaste hoch-radioaktive Abfälle (HLW) und abgebrannte Brennelemente (SF) angesprochen für Zeiten die gleich oder grösser als die erwartete Lebensdauer der Abfallkanister (ca. 1000 Jahre) sind.
Zuerst wurden die Flüsse für Wasserinhaltsstoffe als Folge von chemischer Osmose, Hyperfiltration, thermischer Diffusion und thermischer Osmose abgeschätzt. Dazu wurden verfügbare experimentelle Daten bezüglich gekoppelter Transportprozesse in kompaktierten Tonen, unter Berücksichtigung der hydrogeologischen und geochemischen Bedingungen des Opalinustons, verwendet. Diese Abschätzungen legen den Schluss nahe, dass nur die thermische Osmose als einziger der gekoppelten Transportmechanismen einen wesentlichen Einfluss auf den Stofftransport und den Transport von Wasser in der Nähe eines Endlagers haben könnte.
In einem zweiten Schritt wurden Abschätzungen vorgenommen für den Wärmefluss in der Nähe eines Endlagers als Folge von thermischer Filtration und des Dufour-Effekts. Die berechneten Wärmeflüsse sind aber komplett vernachlässigbar zu demjenigen der Wärmeleitung.
Um einen weiteren Einblick in die Auswirkungen der gekoppelten Prozesse auf den Stofftransport zu erhalten, wurden in einem weiteren Schritt die Flüsse als Folge von Advektion, chemischer Diffusion, thermischer und chemischer Osmose, Hyperfiltration und thermischer Diffusion mittels einer einfachen eindimensionalen Transportgleichung berechnet. Die analytische Lösung dieser Gleichung, mit geeigneten Parametern, zeigt wiederum und in Übereinstimmung mit vorangehenden Abschätzungen, dass die thermische Osmose der einzige gekoppelte Transport-Mechanismus ist, welcher starke Auswirkungen auf das Systemverhalten eines Endlagers haben könnte.
Schliesslich zeigen die Ergebnisse im Rahmen eines einfachen zwei- und dreidimensionalen Fliessmodells unter Berücksichtigung von Advektion (Darcy-Gesetz) und thermischer Osmose, dass - unter den Bedingungen, die in der Nähe eines Endlagers herrschen - für die interessierenden Zeitskalen, die advektive Komponente des Flusses derjenigen der thermischen Osmose entgegengesetzt ist und diese kompensiert.
Die Auswertung der verschiedenen gekoppelten Transportmechanismen lässt den Schluss zu, dass gekoppelte Prozesse nur einen sehr beschränkten Einfluss auf den Radionuklid-Transport im Opalinuston haben werden, unter der Bedingung, dass die Zeiten vergleichbar oder grösser sind als die erwartete Lebensdauer der Abfallkanister (ca. 1000 Jahre).