Modelling radionuclide transport in large fractured-media systems: the example of Forsmark, Sweden

Abstract

The planned high-level nuclear waste repository at Forsmark, Sweden, will accommodate 6,824 containers with a total of 13,920 tonnes of uranium in burnt fuel at approximately 400 m depth in a fractured-granite aquifer. The transport of radionuclides, which may be released from the disposed waste, is simulated with the TOUGHREACT code for a three-dimensional model with 305,571 elements. The model performs coupled flow-transport simulations. It aims to achieve more realistic simulations of contaminant transport than the commonly used decoupled procedure consisting of three-dimensional flow and one-dimensional transport simulations. The model has a relatively small problem size because it is designed as a double-porosity model (one matrix continuum) that is the parameterised equivalent of a much larger multiple-interacting continua (MINC) model, i.e. a model with a finely discretised matrix (several matrix continua). The parameterisation is performed with two-dimensional models. Only one or two variables among three variables (diffusive transport distance between fracture and matrix, retardation factor and effective diffusivity) have to be parameterised. The results obtained with the parameterised three-dimensional model are very close to those that can be obtained with a much larger MINC model but may be quite different from those that can be obtained with the conventional decoupled procedure.

Résumé

Le site de stockage de déchets hautement radioactifs projeté à Forsmark, Suède, contiendra 6,824 containers avec un total de 13,920 tonnes d’uranium dans du combustible usagé à une profondeur approximative de 400 m dans un aquifère granitique fracturé. Le transport des radionucléides qui peuvent être relargués par les déchets entreposés est simulé à l’aide du code TOUGHREACT pour un modèle tridimensionnel avec 305,571 éléments. Le modèle permet des simulations couplées flux-transport. Il a pour but des simulations du transport des contaminants plus réalistes que la procédure de découplage communément utilisées consistant en simulations tridimensionnelles de flux et unidimensionnelles de transport. Le modèle a un problème de dimensions relativement limité car il est conçu comme un modèle à double-porosité (continuum à une matrice) qui est l’équivalent paramétré d’un modèle beaucoup plus large à continua multi-interactifs (MINC), i.e. un modèle avec une matrice finement discrétisée (continua à plusieurs matrices). Le paramétrage est effectué avec des modèles bidimensionnel. Seules une ou deux variables parmi trois (transport diffusif, facteur de retardement, diffusivité effective) ont été paramétrées. Les résultats obtenus avec le modèle tridimensionnel paramétré sont très proches de ceux qu’on peut obtenir avec un modèle MINC beaucoup plus large mais peuvent être tout à fait différents de ceux qui peuvent être obtenus avec la procédure conventionnelle découplée.

Resumen

El repositorio de residuos nucleares de alto nivel planificado en Forsmark, Suecia, alojará 6,824 contenedores con un total de 13,920 toneladas de uranio en combustible quemado a aproximadamente 400 m de profundidad en un acuífero de un granito fracturado. Se simula el transporte de radionucleidos, que pueden ser liberados a partir de los residuos depositados, con el código TOUGHREACT para un modelo tridimensional con 305,571 elementos. El modelo lleva a cabo simulaciones acopladas de flujo y transporte. Su objetivo es lograr simulaciones más realistas del transporte de contaminantes que las comúnmente usadas por procedimientos desacoplados que consisten de un flujo tridimensional y simulaciones del transporte unidimensionales. El modelo tiene un pequeño problema relativo de tamaño debido a que está diseñado como un modelo de doble porosidad (una matriz continua) que es el equivalente parametrizado de uno mucho mayor, un modelo continuo múltiplemente interactivo (MINC), esto es un modelo con una matriz finamente discretizada (continuo de varias matrices). La parametrización se logra con modelos bidimensionales. Sólo una o dos variables entre tres variables (distancia de transporte difusivo entre la fractura y la matriz, factor de retardo y difusividad efectiva) tienen que ser parametrizadas. Los resultados obtenidos con el modelo tridimensional parametrizado está muy próximo a aquellos que pueden ser obtenidos con el modelo mucho más grande MINC pero pueden ser muy diferentes de aquellos que pueden ser obtenidos con los procedimientos convencionales desacoplados.

摘要

瑞典Forsmark地区高放核废物处置场地,计划在400m深处的裂隙-花岗岩含水层中储存6,824个器皿,共包含13,920吨铀燃料。本文采用TOUGHREACT软件建立了包含有305,571个网格的三维模型,模拟了可能从处置场地中泄露出来的核废物迁移过程。该模型耦合了水流和运移模型,以期得到一个相对于传统上单独建立三维水流和一维运移模型更加符合污染物运移实际过程的模型。该模型有较小的问题规模,因为它被设计成为双孔隙度模型(一个基质连续统),其参数化程度相当于一个多重相互作用连续统模型(MINC),例如离散化基质(几个基质连续统)模型。三个变量(裂隙与基质之间的扩散运移距离、阻滞系数和有效扩散系数)中只需一到两个需要限定。参数化三维模型得到的结果与更大的MINC模型得到的结果非常接近,但与传统的未耦合模型差别较大。

Resumo

O depósito de resíduos radioativos de alto-nível planeado para Forsmark, Suécia, conterá 6,824 contentores com um total de 13,920 toneladas de urânio em combustível queimado a aproximadamente 400 m de profundidade, num aquífero granítico fraturado. O transporte dos radionuclídeos que poderão ser lixiviados a partir dos resíduos depositados é simulado com o código TOUGHREACT para um modelo tridimensional com 305,571 elementos. O modelo desenvolve simulações associadas escoamento-transporte. Pretende-se conseguir simulações mais realistas do transporte dos contaminantes em relação aos procedimentos comuns dissociados, que consistem num escoamento tridimensional e em simulações de transporte unidimensionais. O modelo tem uma dimensão relativamente reduzida, porque é desenvolvido como um modelo de porosidade-dupla (uma matriz do contínuo) que é parametrizada de forma equivalente a um modelo de um contínuo multi-interativo muito maior (MINC), i.e. um modelo com uma matriz mais discretizada (diversas matrizes do contínuo). A parametrização é feita com modelos bidimensionais. Só uma ou duas das três variáveis (a distância do transporte de difusão entre as fraturas e a matriz, o fator de retardamento e a difusividade efetiva) têm de ser parametrizadas. Os resultados obtidos com o modelo tridimensional parametrizado estão muito próximos dos que podem ser obtidos com um modelo MINC muito maior, mas podem ser muito diferentes daqueles que podem ser obtidos com o procedimento convencional dissociado.