Modelování transportních procesů v horninovém prostředí

Ing. Jakub Říha

Disertační práce

Modelling of Transport Processes in Rock Environment

Anotace:

Cílem této práce je prostředky matematického modelování přispět ke zlepšení pochopení a popisu transportních procesů v geosféře se zaměřením na dílčí aspekty hodnocení bezpečnosti hlubinného ukládání vyhořelého jaderného paliva. Podstatnou částí bezpečnostního hodnocení je stanovení a popis transportní cesty, kterou se radionuklidy uvolněné z úložných obalových souborů mohou dostávat na hranici biosféry. V této práci jsou ukázána úskalí standardně používané metody particle tracking pro modely založené na konceptu kombinujícím ekvivalentní porézní médium a diskrétní puklinovou síť a následně navrženy dvě alternativní metody pro stanovení transportní cesty, jedna založená na opakovaných simulacích transportu s krátkým časovým krokem a jedna založená na vyhodnocení funkcionálu rychlosti a koncentrace pro jednotlivé elementy výpočetní sítě. Validita obou metod je demonstrována na třech testovacích úlohách spolu s popisem jejich výhod i nevýhod. Proces stanovení a popisu transportní cesty je následně ukázán na modelu reálné lokality, kde je využit jednak particle tracking a jednak jedna z navržených metod, srovnány jejich výsledky a podtržena větší škála využitelnosti metody v této práci navržené. Chápeme-li transportní cestu jako jakýsi "kanál" pro dominantní šíření radionuklidů především procesem advekce, pak difúze do matrice je proces klíčový pro jejich retenci. Tato práce se proto zabývá rovněž simulacemi dvou in-situ difúzních experimentů s cílem přispět k přesnějšímu popisu difúze v komplexních modelech transportních procesů v geosféře. Ze simulací difúzních experimentů jsou vyvozeny závěry obecnějšího charakteru využitelné pro modely reálných lokalit a navazující hodnocení bezpečnosti.

Abstract:

The aim of this dissertation thesis is, through the means of mathematical modelling, to contribute to an improvement of understanding and description of transport processes in the geosphere with the focus on particular aspects of safety assessment of deep repository of spent nuclear fuel. An important part of the safety assessment is a determination and description of a transport path through which radionuclides released from waste disposal packages may migrate towards a biosphere boundary. In this thesis the drawbacks of commonly used particle tracking method are shown for models based on the concept combining equivalent porous medium and discrete fracture network and, subsequently, two alternative methods for determination of transport path are proposed; first one based on repeated transport simulations with small time step and the second one based on an evaluation of functional of velocity and concentration on individual computational mesh elements. Validity of both methods is demonstrated on three test cases along with the description of both their advantages and disadvantages. A process of transport path determination and description is then shown on the model of an actual site using the particle tracking method and one of its proposed alternatives. Results of both methods are cross compared and the greater range of usability of the proposed method is stressed out. Assuming we perceive a transport path as a "channel" for dominant propagation of radionuclides mainly by the process of advection then the diffusion is a key process for their retention. Hence, this thesis also deals with simulation of two in-situ diffusion experiments with the aim to contribute to a more exact description of the diffusion process in complex transport models in a geosphere. From the diffusion experiments simulations some general conclusions are drawn which might be useful for modelling of actual sites and subsequent safety assessment.

Klíčová slova

Matematické modelování, rozpukané porézní médium, transportní cesta, particle tracking, difúze, in-situ experimenty, hodnocení bezpečnosti

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 27. 6. 2018

Obhajoba závěrečné práce

Technická univerzita v Liberci

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy v inženýrství / Aplikované vědy v inženýrství