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Technical Report NTB 01-03
Contaminant Transport in Fracture Networks with Heterogeneous Rock Matrices: The PICNIC Code
Im Zusammenhang mit der Beurteilung der Langzeitsicherheit von Endlagern für radioaktive Abfälle spielen komplexe Modelle, die die wichtigsten Effekte des Radionuklidtransports einschliessen, eine bedeutende Rolle. In den jüngsten schweizerischen Sicherheitsanalysen wie zum Beispiel Kristallin-I war die eingeschränkte Möglichkeit, die Heterogenität der Geosphäre zu berücksichtigen, ein wichtiger Nachteil. Im scharfen Gegensatz zu diesen Einschränkungen bei den Möglichkeiten der Transportmodellierung, wurde die Heterogenität der Geosphäre mit grossem Aufwand untersucht. So wurde der Einfluss der Heterogenität der Geosphäre auf die Hydrologie erforscht. Mit strukturgeologischen Methoden wurde die Geometrie der Fliesspfade analysiert, und Diffusions- und Sorptionseigenschaften der unterschiedlichen Gesteinstypen wurden erforscht. Von dieser umfangreichen Wissensbasis konnte jedoch nur ein kleiner Teil für die Transportmodellierung verwendet werden.
Um die Ergebnisse solcher aufwendigen Untersuchungen zukünftig nutzen zu können, wurde das «PICNIC Projekt» als eine Zusammenarbeit von PSI/Nagra und QuantiSci begründet, um ein neues Geosphären-Transportmodell für schweizerische Sicherheitsanalysen für Endlager radioaktiver Abfalle zu schaffen. Der neue Transport-Code PICNIC kann alle Prozesse behandeln, die im älteren Geosphären-Transportmodell RANCHMD betrachtet wurden, das als Hauptwerkzeug für den Geosphären-Transport in der Kristallin-I Studie eingesetzt wurde. Darüber hinaus berücksichtigt PICNIC ausdrücklich die Heterogenität der Geosphäre auf verschiedenen räumlichen Skalen.
PICNIC umfasst die folgenden Transportphänomene und Effekte: (advektive) Makro-Dispersion auf Grund des Transports der Nuklide in einem Netzwerk von wasserführenden Spalten (Teilstrecken); Mikro-Dispersion in den einzelnen Teilstrecken; Matrixdiffusion in verschiedenen homogenen und heterogenen Gesteinsmatrix-Geometrien; lineare Sorption im Bereich des fliessenden Wassers und in der Gesteinsmatrix sowie radioaktiver Zerfall und Aufbau von Nuklidketten. Um die verschiedenen Transportmechanismen effizient zu berücksichtigen, die typischerweise auf extrem unterschiedlichen Zeitskalen wirken, sind analytische und numerische Methoden der Laplacetransformation in einem dafür entwickelten hierarchischen Linearen Responsmodell integriert. Die eindimensionale Matrixdiffusion in homogene Gesteinsschichten mit ebener oder zylindrischer Geometrie wird im Laplaceraum analytisch behandelt. Für eindimensionale oder zweidimensionale Diffusion in eine heterogene Gesteinsmatrix wird eine Finite-Elemente Methode benutzt. Die Fähigkeit von PICNIC, zweidimensionale Matrixdiffusion zu berücksichtigen, ist – unseres Wissens nach – zurzeit einzigartig für ein Kluftnetzwerkmodell.
PICNIC verbindet Methoden aus der Graphentheorie, der Laplacetransformation, Finite-Elemente Methoden, analytische und algebraische Transformationen und die Berechnung von Faltungsintegralen, um komplexen Radionuklidtransport in einem weiten und vielfältigen Anwendungsbereich zu berechnen. Um die Verlässlichkeit des Codes zu gewährleisten, wurde der Code abwechselnd entwickelt und verifiziert. Dadurch wurde der Code iterativ verbessert, insbesondere wurden vorhandene Fehler sukzessive beseitigt. Das Vorgehen bei der Verifikation basiert auf der inneren mathematischen Struktur von PICNIC.
Der Code wird in sieben Hauptschritten mit wachsender Komplexität der Gesteinsmatrix verifiziert. Der Transport von Einzelnukliden und auch von Nuklidketten wird analysiert, sowohl für Teilstrecken, für ganze Transportwege als auch für Netzwerke. Der Effekt von verschiedenen Nuklidquellen und Randbedingungen wird untersucht. Die Genauigkeit des Codes wird abgeschatzt mit Hilfe von analytischen Losungen, soweit möglich über Quervergleiche mit anderen RechenCodes sowie mittels verschiedenen Selbstkonsistenztests und ausgedehnten Tests mit verschiedenen Diskretisierungen der Finiten-Elemente Gitter für die unterschiedlichen Gesteinsmatrixgeometrien. Dabei hat sich die sogenannte Geosphären-Barriereneffizienz als ein gutes Mass für die Rechengenauigkeit des Codes herausgestellt. Anwendungsbereiche des Codes mit reduzierter Rechengenauigkeit werden aufgezeigt.
Für den Fall von eindimensionaler Matrixdiffusion in homogene und auch in heterogene Gesteinsmatrizen werden Quervergleiche mit anderen Codes gemacht. Für zweidimensionale Matrixdiffusion ist jedoch kein Code für Quervergleiche vorhanden. Deshalb baut die Verifikation für diese Art von Gesteinsmatrix auf der Verifikation für eindimensionale Matrixdiffusion auf, sowie auf qualitativen Abschatzungen und auf verschiedenen Selbstkonsistenztests. Zusätzlich wird der Spezialfall des stationären Nuklidtransports quantitativ verifiziert.
PICNIC wurde so weit als zur Zeit möglich verifiziert und kann vertrauensvoll für die GeosphärenTransportmodellierung im Zusammenhang mit Sicherheitsanalysen und für die Modellierung von Transportexperimenten verwendet werden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass Informationen aus der Strukturgeologie, zum Beispiel über die kleinräumige Heterogenität von kataklastischen Scherzonen einfach bei PICNIC-Rechnungen berücksichtigt werden können, So wird beispielsweise aufgezeigt, dass die Berücksichtigung von zweidimensionaler Diffusion in eine alterierte Zone bei offenen Kanälen die Wirksamkeit der Geosphäre als Transportbarriere für mobile Radionuklide stark verbessern kann; dies ist aber abhängig von den Eigenschaften der betreffenden Nuklide und des Gesteins. Die Auswirkungen von Matrixdiffusion in eine zweite Gesteinszone können ebenfalls hochwillkommen sein.