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ThermoQuakes

ThermoQuakes - 3D thermo-mechanische Modellierung der Seismizität bezogen auf ein Endlager für nukleare und radioaktive Abfälle in Felsgestein (SSM, 2015-2017)

Laufzeit: 2015 - 2017

Zuwendungsgeber: Schwedische Behörde für Strahlungssicherheit (Strål Säkerhets Myndigheten - SSM)

Projektverantwortlicher: Arno Zang

Projektmitarbeiter: Jeoung-Seok Yoon

Die schwedische Strahlungsbehörde SSM (SSM - Strålsäkerhetsmyndigheten) ist die schwedische Regulierungsbehörde für den Prozess zur Auffindung eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle. Für den ausgewählten Standort Forsmark modellieren wir in 3D thermische und Erdbeben-Lasten und deren Impakt auf das Endlager im Kristallin mit komplexen geologischen Strukturen. Neben den thermo-mechanischen Prozessen simuliert das Modell auch dynamisch die induzierten seismischen Ereignisse (TM D Modell) durch dynamische Bruchausbreitung sowie durch die Energiedissipation in Form seismischer Wellen.

Um die Sicherheit eines Endlagers für radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente beurteilen zu können, müssen alle möglichen Bedrohungen berücksichtigt werden, die die physikalische Integrität der Barrieren beeinträchtigen könnten. Eine Umweltbedrohung ist ein Erdbeben, das an nahegelegenen Verwerfungen auftritt, und die Auswirkung eines Erdbebens, die für die Sicherheit des Endlagers relevant ist, ist die Scherverschiebung von Gesteinsbrüchen, die durch ein Erdbeben an nahegelegenen großen Verwerfungen verursacht wird (Abb. 1).

Projekt "ThermoQuakes"
Abbildung 1. (a) Anordnung des Endlagers und der begrenzenden Verwerfungen (modifiziert nach SKB); (b) Scherverformung eines Gesteinsbruchs, der ein Einlagerungsloch quer durchschneidet und einen Behälter mit abgebrannten Kernbrennstoffen beschädigt (Fälth et al. 2010). (Projekt "ThermoQuakes")

In diesem Projekt verwenden wir thermomechanisch gekoppelte dynamische Modellierung auf der Basis diskreter 3D-Elemente, um die Sicherheit des Endlagers im schwedischen Forsmark für die Endlagerung abgebrannter Kernbrennstoffe zu untersuchen. Insbesondere untersuchen wir die Auswirkungen von Erdbeben mit größerer Magnitude (M>6), die in den nächsten hundert Jahren in der Nähe des Standorts Forsmark auftreten könnten. Im Folgenden sind die Ziele des Projekts aufgeführt.

  • Erstellung eines auf gebundenen Partikeln basierenden 3D-geologischen Modells des Endlagerstandorts Forsmark mit heterogen dargestellten geologischen Diskontinuitäten, z. B. Verwerfungen und Brüchen
  • Entwicklung eines numerischen Workflows zur Simulation dynamischer Verwerfungsbrüche (Yoon et al. 2014, 2017)
  • Untersuchung der Auswirkungen radioaktiver Abklingwärme auf das Bruchsystem des Endlagers (Yoon et al. 2016)
  • Untersuchung der Auswirkungen von Erdbebenereignissen auf das Endlager-Kluftsystem (Fig.2)
  • Überprüfung und Validierung des simulierten Erdbebens anhand der Skalierungsbeziehung zwischen Erdbebenverwerfungen (Fig.3)

 

 

Abbildung 2. Zeitliche Änderung der Verschiebungsverteilung (in Metern) einer dynamisch brechenden Verwerfung. Die ko-seismische Verschiebung konzentriert sich an einem Punkt auf der Verwerfungsebene und breitet sich nach außen aus, was zu asymmetrischen und heterogenen Verschiebungsprofilen führt. Schwarze Punkte sind die Ablagerungslöcher. (Klicken für Animation)

 

 

Abbildung 3. Bruchfläche vs. Moment-Magnitude-Verhältnis von Erdbebenverwerfungen. Die Ergebnisse simulierter Erdbebenverwerfungen (schwarze Sterne) werden mit den globalen tektonischen Erdbebenverwerfungsdaten (Punkte) verglichen.

Publikationen/Ergebnisse

  • Yoon JS, Stephansson O, Zang A, Min KB, Lanaro F (2017), Discrete bonded particle modelling of fault activation near a nuclear waste repository site and comparison to static rupture earthquake scaling laws, Int J Rock Mech Min Sci, 98, 1-9, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2017.07.008
  • Yoon JS, Stephansson O, Zang A, Min KB, Lanaro F (2016), Numerical modelling of earthquakes and induced seismicity under various in situ stress conditions at Forsmark, Sweden, the site for a final repository of spent nuclear fuel, RS2016 Symposium – 7th International Symposium on In-Situ Rock Stress, May 10-12, 2016, Tampere, Finland.

 

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