Langzeitsicheres Abdichtungselement aus Salzschnittblöcken - Durchführung, Auswertung und Reanalyse von THM-Versuchen unter triaxialer Extensionsbeanspruchung (SSBVIER)

Abstract

Für den langfristig sicheren Einschluss hochradioaktiver Abfälle in einem Endlager im Salinargebirge müssen geologische Barrieren in Kombination mit geotechnischen Barrieren dauerhaft fluiddicht wirken. Ein wesentlicher Bestandteil der Endlagerung in tiefen geologischen Formationen ist der Nachweis, dass hydraulische Verbindungen zwischen Biosphäre und Lithosphäre - insbesondere Schächte, Bohrlöcher und Strecken, die während der Auffahrung untertägiger Hohlräume entstehen - nach Abschluss des Einlagerungsbetriebs und einer gegebenenfalls anschließenden Monitoringphase wieder hinreichend dicht verschlossen werden können. Ein unverzichtbares Element des hierzu erforderlichen Abdichtungssystems ist der Schachtverschluss. Alle bislang entwickelten Schachtverschlusskonzepte umfassen Dicht- und Tragelemente, unterscheiden sich jedoch in deren Anordnung sowie in den eingesetzten Materialien, Kudla et al. (2009), Kudla & Herold (2021), Emmerich et al. (2019), Eberth & Müller-Hoeppe (2009), Bauer et al. (2019), Glaubach, et al. (2013), Kröhn et al. (2009), Rothfuchs (2010). Zur Sicherstellung von Redundanz und Diversität werden u.a. Ton/Bentonit, Asphalt/Bitumen, Salzgrus sowie Salz- bzw. Sorelbeton als Baustoffe für Abdichtungselemente untersucht. Ergänzend zu diesen Materialien wurde in den Forschungsvorhaben mit den Förderkennzeichen 02E11223 (Düsterloh (2014)), 02E11425 (Düsterloh et al. (2018)) und 02E11688 (Düsterloh et al. (2023)) gezeigt, dass ein Abdichtungselement aus Salzschnittblöcken ohne Fugenfüllung bereits kurz nach dem Einbau eine Verheilung zwischen umgebendem Salzgestein und Blockverband ermöglicht und sehr geringe Permeabilitäten erreicht. Im Rahmen des im vorliegenden Abschlussbericht dokumentierten Forschungsvorhabens mit dem Förderkennzeichen 02E12082 (SSBVIER) wurde untersucht, ob (a) ein Abdichtungselement aus Salzschnittblöcken mit Fugenfüllung (Salzgruspaste) - bedingt durch größere Fugenbreiten und die Kompaktionsfähigkeit der Fugenfüllung - zwar längere Versuchszeiten benötigt, um die in Versuchen ohne Fugenfüllung beobachteten niedrigen Permeabilitäten zu erreichen, jedoch dennoch eine analoge Aussage zur grundsätzlichen Eignung und zur frühen Dichtwirkung des Systems erlaubt, und ob (b) die grundsätzliche Eignung und frühe Dichtwirkung des Systems aus Salzschnittblöcken sowohl unter plane-strain-Belastungsbedingungen (axiale Verzerrung unterbunden; Mantelspannung konstant) wie auch unter triaxialer Extensionsbeanspruchung (Axialspannung kleiner als Radialspannung, axiale Verzerrung nicht unterbunden) nachweisbar ist. Die vorstehend genannten durchgeführten Forschungsarbeiten stehen damit im Hinblick auf das Projektförderprogramm "BMUKN-Forschungsförderung zur nuklearen Sicherheit" in direktem Bezug einerseits zum FuE-Feld C2.3 "Geotechnische und technische Barrieren", da ein aus Salzschnittblöcken aufgebautes Abdichtungssystem zum Schachtverschluss von Endlagern im Salinargebirge in Form großskaliger Laborversuche untersucht worden ist, andererseits aber auch zum FuE-Feld C3.1 "Thermische, hydraulische, mechanische, chemische und (mikro-)biologische (THMCb-)Phänomene und Prozesse sowie deren Modellierung", da mit Hilfe des am Lehrstuhl für Geomechanik und multiphysikalische Systeme der TU Clausthal entwickelten FTK-Simulators unter Berücksichtigung von TH2M-gekoppelten Prozessen zunächst die erwarteten Laborergebnisse prognostisch numerisch simuliert wurden und abschließend - gegebenenfalls nach einer aufgabenbezogenen Ertüchtigung des FTK-Simulators - die tatsächlich erhaltenen Laborergebnisse retrospektiv numerisch analysiert werden sollten. Der FTK-Simulator ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur multiphysikalischen Modellierung von thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelten Prozessen unter Berücksichtigung von 2-Phasen-Fluss-Effekten (TH2M-gekoppelte Prozesse), die im Wirtsgestein, im Versatzmaterial und in Abdichtungs- und Verschlussbauwerken insbesondere von Endlagersystemen in Salinargebirgsformationen ablaufen, aber auch von entsprechenden Prozessen, die im Wirtsgestein, im Versatzmaterial und in Abdichtungs- und Verschlussbauwerken von Endlagersystemen in Tongesteinsformationen ablaufen. To ensure long-term safe containment of high-level radioactive waste in a repository hosted in saliniferous formations, geological barriers in combination with geotechnical barriers must remain permanently fluid-tight. A key requirement in deep geological disposal is to demonstrate that hydraulic connections between the biosphere and the lithosphere - i.e., shafts, boreholes, and drifts created during the excavation of underground openings - can be sealed sufficiently tightly after waste emplacement operations and any subsequent monitoring phase. An essential element of the required sealing system is the shaft closure. All shaft closure concepts developed so far include sealing and support elements in repository shafts, but differ in the arrangement of these construction elements and the materials used, Kudla et al. (2009), Kudla & Herold (2021), Emmerich et al. (2019), Eberth & Müller-Hoeppe (2009), Bauer et al. (2019), Glaubach, et al. (2013), Kröhn et al. (2009), Rothfuchs (2010). To ensure both redundancy and diversity, materials currently proposed and investigated for sealing elements include clay/bentonite, asphalt/bitumen, crushed salt, and salt or Sorel concrete. In addition to these materials, previous research projects with funding numbers 02E11223 (Düsterloh (2014)), 02E11425 (Düsterloh et al. (2018)), and 02E11688 (Düsterloh et al. (2023)) demonstrated that a sealing element made of salt-cut blocks without joint filling can promote early healing between the surrounding salt rock and the block assembly and can reach very low permeabilities shortly after installation. Within the research project with funding number 02E12082 (SSBVIER) documented in this final report, it was investigated whether (a) a sealing element made of salt-cut blocks with joint filling (crushed salt paste) requires longer test durations to achieve the low permeabilities observed in tests without joint filling - due to increased joint widths and the compactability of the joint fill - while still providing an analogous statement regarding the basic suitability and early sealing effect of the salt-cut- block system, and whether (b) the basic suitability and early sealing effect of the salt-cut-block system can be observed both under plane-strain loading conditions (axial deformation restrained, radial stress kept constant) and under triaxial extension loading (axial stress lower than radial stress; axial deformation not restrained). The above-mentioned research work is directly related to the project funding program "BMUKN Research Funding for Nuclear Safety" in two respects. On the one hand, it is directly connected to the R&D field C2.3 "Geotechnical and technical barriers", because a sealing system made of saltcut bricks for the shaft sealing of repositories in salt formations was investigated in the form of large-scale laboratory experiments. On the other hand, it is also directly connected to the R&D field C3.1 "Thermal, hydraulic, mechanical, chemical and (micro-)biological (THMCb) phenomena and processes as well as their modelling", because, with the aid of the FTK simulator developed at the Chair for Geomechanics and multiphysics Systems of Clausthal University of Technology and taking TH2M-coupled processes into account, the expected laboratory results were first forecast through numerical simulation, and finally - if necessary, after task-specific enhancement of the FTK simulator - the actual laboratory results were to be analyzed retrospectively by numerical methods. The FTK simulator is a powerful tool for the multiphysical modelling of thermo-hydraulic-mechanical coupled processes involving two-phase flow effects (TH2M-coupled processes) occurring in the host rock, backfill material, and sealing and closure structures, particularly in repository systems in salt formations, but also of corresponding processes occurring in the host rock, backfill material, and sealing and closure structures in repository systems in claystone formations.