Mit tehetnek hozzá a geotechnikaikőzetmechanikai. radioaktívhulladék-elhelyezéshez?

Mit tehetnek hozzá a geotechnikaikőzetmechanikai vizsgálatok a radioaktívhulladék-elhelyezéshez? (Tapasztalatok és tanulságok)

KOVÁCS LÁSZLÓ

Kőmérő Kft., Pécs [email protected]

Az RHK Kft. által szervezett NRHT Konferencia Budapest, Danubius Hotel Flamenco, 2013. szeptember 17.

Amiről ma beszélni szeretnék... • A földtudományi, mérnöki és nukleáris filozófia szerepe a radioaktívhulladékelhelyezésben és vizsgálati programjaiban • A geotechnikai-kőzetmechanikai vizsgálati program optimális tervezése és kivitelezése a nemzetközi ajánlások alapján • A Mórágyi Gránit Formáció mérnökgeológiai–kőzetmechanikai jellege és az ehhez illeszkedő geotechnikai vizsgálati program • Néhány tanulság az NRHT-ban végzett vizsgálati program legfontosabb eredményeiből: – – – – –

empirikus kőzettest-minősítési módszerek; primer feszültségtér meghatározása; laboratóriumi vizsgálatok; a vágathajtás hatásainak in situ vizsgálatai; hosszú távú monitoring.

A felszín alatti radioaktívhulladék-elhelyezéshez vezető út elemei (nem fontossági és időbeli sorrendben...): 1. Földtudományi megismerési és értékelési folyamat 2. Mérnöki (bányászati/alagútépítési, szerkezetépítési, villamos, gépészeti, stb.) tervezés és kivitelezés 3. A nukleáris ipar biztonsági, üzemeltetési filozófiája és gyakorlata (csak más közegben és nagyságrendekkel kiterjesztett időtávlatban!!!) 4. Jogi, szervezeti, politikai és financiális háttér 5. Közelfogadtatás Még egy szakmai részterület vizsgálati programját is úgy kell kidolgozni és végrehajtani, hogy kiszolgálja mindegyik szempontrendszer adatigényét.

Együtt működünk!

A radioaktívhulladék-elhelyezésből adódó speciális körülmények és követelmények (L/ILW) (a teljesség igénye nélkül...) • Az elsődleges szempont a hosszú távú radiológiai biztonság (biztonsági értékelés – PA/SA) kell legyen. Számos szokásos mérnöki-geotechnikai megoldás itt nem alkalmazható!!! • A többszörös gátrendszer (multibarrier system) elve. A tervezendő szerkezet nem csak az üreg biztosítását szolgálja, hanem a földtani gáttal együttműködő komplex műszaki gátrendszer eleme is. • A visszanyerhetőség jogi követelményéből fakadó geotechnikai problémák. • A végleges elhelyező létesítmény alkalmasságát és hosszú távú biztonságát (beleértve a mérnöki gátrendszer megfelelőségét is) igen részletes és komplex engedélyezési eljárássorozatban kell igazolni. • A végleges üzemeltetési engedélyeztetésig az adatgyűjtés, a tervezés és a kivitelezés folyamatának rugalmasnak kell maradnia ("Design as You Go”-elv).

A geotechnikai vizsgálati program alapvető célja a radioaktívhulladék-elhelyezési programokban: A feltárandó kőzettestek valós viselkedését meghatározó paraméterek/ folyamatok/jelenségek megértése és előrejelzése (a kőzettípusok, a mélység és a laterális helyzet, a töredezettség, a mállottsági fok, az anizotrópia, stb. függvényében) annak érdekében, hogy a statikai tervezés és a PA/SA bemenő paramétereinek bizonytalanságát az elfogadható mértékűre csökkenthessük.

A megoldás lehetősége: Kiterjedt és összehangolt vizsgálati, illetve tervezési programot kell végrehajtani, amely éppúgy magában foglalja a szükséges in situ és laboratóriumi méréseket, mint az eredmények adatbázisba szervezését, fejlett geomatematikai módszerekkel történő értékelését, valamint a kiterjesztett, többszörösen kapcsolt (THMC) numerikus modellezési eljárásokban történő felhasználását. (Hudson & Feng 2007 nyomán).

A MGF változatos felépítése és eseménydús földtani előtörténete Felépítés: A karbon korú, uralkodóan monzogránitos kőzetekben 1-2 km-es monzonit testek, a köztes zónában pedig hibrid képződmények találhatók, aplit és trachiandezit telérkőzetekkel sűrűn átjárva. Regionális metamorfizmus: Változatos intenzitású palásodás és ásványátalakulás Allochton helyzet, multigenerációs tektonikai eseménysor: A változékony orientációjú, kitöltőanyagú tektonikai zónák, litoklázisok és egyéb diszkontinuitások rendkívül sűrű, minden léptékben jelentkező hálózata és az ezzel összefüggő ásványátalakulási jelenségek

További, a geotechnikai-kőzetmechanikai vizsgálati programmal szemben támasztott követelmények • Reprezentativitás (ott, azt és annyiszor kell mérni...); • Léptékhatás tisztázása, up- és downscaling; • Egységesített módszerek következetes alkalmazása az egyes területek összehasonlíthatósága érdekében; • Nem lehet tisztán geotechnika-kőzetmechanika: a kapcsolt (THMC) folyamatok meghatározása is alapvető követelmény; • Minőségügyi követelmények (rekonstruálhatóság, objektivitás, dokumentálás, hosszú távú adatmegőrzés, stb.); • Eredmények gyors avulásának elkerülése  az elérhető legkorszerűbb technológiák alkalmazása.

A geotechnikai-kőzetmechanikai vizsgálati program gyakorlati korlátai az NRHT-ban • A mechanikai paraméterek térbeli kiterjeszthetősége erősen korlátozott, így a „szokásos” mechanikai tervezési alapparaméterek egyértelmű, determinisztikus felvétele megalapozottan nem lehetséges! • A kutatófúrásoknak a majdani vágatszelvényeken belül kellett maradniuk (kevés kivétellel )  Nincs információ a „szürke” zónákból.

UCS (MPa)

• A kivitelezés és a vizsgálatok összehangolása nem mindig zökkenőmentes...

Az NRHT geotechnikai-kőzetmechanikai vizsgálati programjának legfontosabb elemei: • Empirikus geotechnikai minősítő módszerek alkalmazása • A primer és szekunder feszültségtér meghatározása • Intakt kőzetanyag laboratóriumi tesztjei • Laboratóriumi tesztek és/vagy numerikus visszaszámítások a különböző kitöltőanyagok szilárdsági és deformabilitási tulajdonságainak meghatározására. • A tranziens deformációs folyamatok in situ mérése. • A biztosítószerkezetekre ható erők in situ mérése • Az EDZ és az Edz kiterjedésének, eloszlásának, illetve az abban végbemenő kapcsolt (THMC) folyamatok in situ mérése. • A hosszú távú nyitva tartás kapcsán fellépő deformációs folyamatok monitorozása a reológiai viselkedés tisztázása érdekében.

Empirikus geotechnikai minősítő módszerek • Két lépcsőben történő (előfúrások és vájvégek), folyamatos és következetes alkalmazásuk a térkiképzés gyakorlati igényeit is kiszolgálja, és egyúttal a geotechnikai jellemzők térbeli változékonyságának jellemzésére is a leghatékonyabb megoldás. • A Mórágyi Gránitban a repedezettséget kiemelten kezelő empirikus módszerek a leghatékonyabbak. Az esetleges hibák, szubjektivitások kiszűrése és az eredmények kölcsönös ellenőrizhetősége és a fizikai paraméterek könnyebb származtathatósága érdekében többféle módszer (RMR, Q és GSI) párhuzamos alkalmazása indokolt. • Korszerű, hatékony módszerek (JointMetriX/ShapeMetriX alkalmazása a vizuális információval kombinált valós 3D-s térmodellhez.

A geotechnikai (és persze vízföldtani...) szempontból optimális térrészek kiválasztása a kamratelepítésre

Laboratóriumi kőzetmechanikai vizsgálatok • Az intakt kőzetparaméterek, illetve a kitöltőanyagok szilárdsági és deformabilitási tulajdonságainak meghatározására (tervezési alapparaméterek). • Intakt paraméterek: csak fúrási maganyagból (nincs robbantásból származó roncsoló hatás!); • Kitöltőanyagok tulajdonságai: igen nehéz mintavételezés, rendkívüli változékonyság  jelenleg a megismerési folyamat egyik leggyengébb pontja. Az agyagos törészónák, mint a földtani gát legfontosabb szigetelő elemei. Integritásuk megőrzése különösen fontos feladat! • ISRM Suggested Methods bevezetése és következetes alkalmazása; • A mikrorepedezettség hatása a teszt-eredményekre: kiszűrésük új, korszerű módszerek bevezetésével (előzetes CT-szkennelés, Kovári-, vagy MFS-teszt, Martin-Chandler-elv) Monzogránit

Mintaszám (N) Szórás (Sx) Variációs tényező (Vx) Student-féle t 0,95 Átlaghoz tartozó felső k-tényező (kn, mean sup) Átlaghoz tartozó alsó k-tényező (kn, mean low) Átlag (Xmean) Medián (Xmed) Átlaghoz tartozó karakterisztikus érték (Xc, mean) Mediánhoz tartozó karakterisztikus érték (Xc, med)

Testsűrűség (kg/m3)

Ultrahang sebesség (km/sec)

Uniaxiális nyomószilárdság (MPa)

Youngmodulus (GPa)

Poisson tényező (-)

865 41,475 0,015 1,647

222 0,579 0,110 1,652

344 43,304 0,325 1,649

281 11,756 0,172 1,650

260 0,049 0,213 1,651

181 6,154 0,287 1,653

336 2,631 0,231 1,649

-0,056

-

-

-

-0,102

-

-

-

0,111

0,089

0,098

-

0,123

0,090

2696,94 2702,95

5,25 5,29

133,21 137,20

68,24 72,01

0,231 0,227

21,42 21,77

11,37 11,98

2699,26

5,19

129,36

67,08

0,236

20,66

11,13

2705,28

5,23

133,23

70,79

0,232

21,00

11,73

Nyíró- Brazil húzószilárdság szilárdság (MPa) (MPa)

Módszerek a kőzetmintákban levő mikrorepedezettség hatásainak ellenőrzésére

A kőzetminták belső diszkontinuitásainak ellenőrzése CT-felvétellel Egymintás (Kovári-, vagy MFS típusú) tönkremeneteli határgörbe-meghatározás A kőzetminta különböző tönkremeneteli állapotainak elkülönítése a mérőbélyeges UCSmérés során (a MartinChandler-elv szerint)

Primer kőzetfeszültség-mérések • Az uralkodó feszültségviszonyok ismerete szükséges  a tektonikus zónák hidromechanikai viszonyainak jellemzéséhez (HLWnél: természetes önzárási potenciál vizsgálata);  az üregképzés hatására végbemenő feszültségátrendeződés miatt az a radiális és axiális áramlási rendszerek és az EDZ jellemzéséhez;  a geotechnikai alkalmasság minősítéséhez és a mérnöki-műszaki tervezéshez;  a hosszabb időléptékben jelentkező geodinamikai kockázatok megítésléséhez (tektonikai stabilitásvizsgálat).

• Az NRHT-ben alkalmazott módszerek: 3D-s CSIRO HI-cellás és 2D-s Doorstopper-cellás feszültség-mentesítéses eljárások, tokrepesztő, illetve hidrorepesztő szondás tesztek. • A Mórágyi Gránitban minden léptékben felismerhető a feszültségblokkosodás jelensége. • A diszkontinuitások lokális léptékben is érvényesülő feszültségmódosító hatásai nehezítik a mérések kivitelezését és értelmezését  javaslat egy új, Finn- és Svédországban bevezetett módszer alkalmazására: vágathoz közeli, kedvező állapotú térrészekben végzett mérések, majd a szekunder hatások visszakalkulálása 3D-s numerikus modellekben.

Primer kőzetfeszültség-mérések/2

Zárt repedés jelenlétének hatása a primer feszültségek térbeli eloszlására

Doorstopper-cellás mérés maganyagán mért repedésorientációk kapcsolata a mérési eredményekkel

A vágathajtás során fellépő tranziens deformációs folyamatok és terhelési állapotok in situ mérése E mérések lehetővé teszik

Lehetőség szerint ezeket KMSZ formájában kell alkalmazni!

• az alkalmazott biztosítószerkezetekkel együttdolgozó kőzetek reális viselkedésének leírását, megértését; • a korai tervezési fázisokban a numerikus modellezés kiinduló és validáló adatainak biztosítását; • megfelelő numerikus visszaszámítási módszerekkel a repedésszilárdsági paraméterek, a nagy léptékű deformabilitás és a primer feszültségállapot meghatározását; • a felskálázást (upscaling); • a kivitelezés fázisában a modellek előrejelzéseinek ellenőrzését, a modellek finomítását; • a kivitelezés megfelelőségének (az üreg Vágathajtás során fellépő deformációk stabilitásának) ellenőrzését. eloszlása (Hoek 2000 nyomán)

Vágathajtás hatására végbemenő feszültségváltozások mérése • A jelenleg elérhető legfejlettebb technológiával (CSIRO HI-cellákkal); • Az egyik leginformatívabb mérés: egyrészt biztosítja az eddigi tervezési feltételezések ellenőrizhetőségét, másrészt lehetővé tette a tárolókamrák szelvényalakjának és pillérméretének további optimalizálását. • A végbemenő hidraulikai változásokkal együttesen értékelve (HGM-kamra) a hidromechanikai folyamatok megismerésére egyedülálló lehetőség!

A horgonyfejen és a lőttbetonban ébredő erők automatikus mérése

Fúrólyuk-extenzométeres mérések • Az extenzométereket lehetőség szerint célszerű elhaladásos elrendezésben telepíteni, a teljes LDP megmérése érdekében! • A rezgőhúros szenzorok mégis stabilak!!! • Ameddig technikailag lehetséges, az extenzométereket célszerű mérni a reológiai időszakban is.

„Elhaladásos” elrendezés

„Sugaras” elrendezés

Az Ext-5 szelvényben telepített Bkx-5 extenzométer idősora

A MGF egyes in situ mérések során tapasztalt „anomális”, de valós földtani-tektonikai okokra visszavezethető viselkedése

Az MGF reális kőzeteinek deformációs folyamatait nem minden esetben a kontinuummechanikai törvényei szabályozzák!!! A helyszíni mérések eredményeivel validált diszkontinuum-modellezésre is szükség van a paraméterek pontosításához!)

Nagy pontosságú mechanikai konvergenciamérések • A fellépő deformációs folyamatok pontos nyomon követése • Olcsó, gyors, sokszor ismételhető módszer • Közvetlen kapcsolat a kőzettest-paraméterek és a mérhető konvergenciaértékek között

Numerikus paramétervisszaszámítások és érzékenységvizsgálatok az in situ mérési adatok alapján

A hosszú távú stabilitás (reológiai folyamatok) ellenőrzése geotechnikai monitoring eszközökkel • Egyes kamrák hosszú távú nyitva tartásának igénye (50 év); • A főfeltáró térség akár 120-150 éves nyitva tartásának igénye; • Élettartam-hosszabbítás, új atomerőművi blokk(ok). Lokális tönkremeneteli jelenségek többnyire agyagos, vetőbreccsás szakaszok harántolásainál (pl. Pétertörés, K-i és Ny-i Alapvágat, 7. Összekötő vágat, TSZV 90. m) • Korlátozott karbantartási lehetőség az ellenőrzött zónákban • Hosszú távú stabil üzem • Referenciavesztés nélküli szenzorcsere lehetősége

Javasolt módszerek:

• Deformációellenőrző hálózat • Szeizmoakusztikus hálózat

Összefoglalás, következtetések: • Az NRHT geotechnikusainak és tervezőinek számos, a mindennapi statikai tervezésben nem általános, a biztonsági értékelés kötelezettségéből eredő problémával is foglalkozniuk kell. • A MGF igen komplex befogadó képződmény. Tulajdonságainak és lehetséges kölcsönhatásainak megismerése csak jól tervezett és végrehajtott laboratóriumi illetve in situ tesztprogrammal, geomatematikai értékelésekkel és fejlett numerikus modellezési tevékenységgel lehetséges (természeti folyamatok mélyebb megértése). • Mostanra már kezdjük megismerni a MGF legfontosabb geotechnikaikőzetmechanikai sajátosságait. Lehetővé vált a kamramezőn belüli optimális kamratelepítés, a biztonságos pillér- és szelvény-optimalizálás. • Még mindig vannak megoldandó feladatok. Például: – egy esetleges 2. kamramező egész más adottságú térrészbe kerülhet; – az EDZ valódi természete, eloszlása és időfüggő folyamatai nem ismertek megfelelően (VÉGLEGES LEZÁRÁS); – az agyagos torlasztózónák pontosabb jellemzése az integritás védelméhez és a lezárás tervezéséhez. • A tapasztalatok, a filozófia és a módszerek (felülvizsgálattal) hatékonyan használhatók lehetnek a BAF-nál is.

Köszönöm a figyelmet! JÓ SZERENCSÉT!