LÄHITHC: Bentoniitin THC-mallinnusta termisessä vaiheessa

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "LÄHITHC: Bentoniitin THC-mallinnusta termisessä vaiheessa"

Ada Uotila
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 LÄHITHC: Bentoniitin THC-mallinnusta termisessä vaiheessa Aku Itälä & Markus Olin # 26 September, 2008 KYT-seminar # Nykyinen osoite: Science consulting che

2 TAUSTAA Eritoten lähialueella on tarve kytkettyyn prosessien (THCM) tarkasteluun (lämpö-virtaus-kemia-mekaniikka) Osaamisen tarve on Suomessa ilmeinen VTT:llä on pyritty keskittymään THC -alueen mallinnuksen kehittämiseen (henkilöstö, ohjelmat ja laiteresurssit) THC -alueella on 2 opinnäytetyötä tekeillä THC -alue on tieteellisesti huomattavan haasteellinen Mallinnuksen tukena on käytetty geneeristä Tekesin SISU - hankkeessa kehitettyä Q8x4 toimintatapamallia, joka on vielä prototyyppiasteella Esitys on myös jäsennelty sen pohjalta Toimintatavan toivotaan tehostavan tutkimusprosessia 2

3 SISU Q8x4 Producer Patron LÄHITHC-hankkeessa ja erityisesti esityksessämme on hyödynnetty VTT:n ja Metropolia amk:n kehittämää Q8x4 metodologiaa Kehitystyö on tehty VTT:n vetämässä ja teollisuuden sekä Tekesin rahoittamassa (n. 1 M, >10 htv, kolme vuotta) Tekesin MASIohjelman SISU-hankkeessa (MASI = Mallinnus ja simulointi SISU = Simuloinnin ja suunnittelun uudet toimintatavat ja liiketoiminta) Metodologian tavoitteena on avustaa pääsemään parempaan ja luotettavampaan simulointiin ja mallinnukseen, jossa myös vältetään tyypillisimmät karikot 3 Needs Advisor Functionality Modeller Feedback Deliverer Solution Applier Results User Software Developer Are they really interested on my needs? Hope that they have really solved it now? Can I use this novel product properly? Have I done everything I should? Hope that they are satisfied to my new product?

4 0. TEHTÄVÄ LYHYESTI JA SEN RATKAISEMISEN VAIKUTUS Tehtävänä on kehittää laskennallisia menetelmiä bentoniittipuskurin ominaisuuksien ja niiden muuttumisen mallintamiseen termisessä vaiheessa Kemia ja diffuusio aineensiirto, lämpötila ja osittain kyllästynyt virtaus Jos tässä onnistutaan, niin kehitetyillä menetelmillä voidaan arvioida Eri ilmiöiden ja prosessien vaikutusta puskurin ominaisuuksien kehittymisessä Eri ilmiöiden vaikutuksen suhteellista merkittävyyttä Lisäksi saadaan käyttöön ylipäänsä hyvä menetelmä 4

5 1. JOB TO BE DONE MIKÄ ONGELMANA? Tehtävänä on mallintaa (kytketysti) bentoniitin evoluutiota lähialueella termisen vaiheen aikana: o o o Huokosvesikemian kehittyminen (vesikemian reaktiot, mineraalit, kationin vaihto, diffuusio, konvektio) Lämmön tuotanto ja siirto loppusijoitusreiässä Kosteuden siirto ja kyllästyminen bentoniittipuskurissa Tavoitteena on myös parantaa VTT:n mahdollisuuksia ja kykyä mallintaa ja ymmärtää ongelmakenttää 5

6 2. RATKAISUN SUUNNITTELU? Aihetta lähestytään kolmessa vaiheessa: 1.Vain lämpötilan muutos: ei kulkeutumista, täysin kyllästynyt, sekä kemiallisia tasapainoreaktioita että kinetiikkaa (useita mineraalifaaseja) 2.Tehdään joukko mallinnusyrityksiä moderneilla työkaluilla kasvattaen koko ajan tarkkuutta, otetaan mukaan diffuusio ja lämpötilagradientti 3.Kuten vaihe kaksi, mutta osittain vedellä kyllästyneessä bentoniitissa VTT:n mallinnustyökalupakki koostuu: EQ3/6, PetraSim, PHREEQC, COMSOL and CHEMSHEET Ennen varsinaisen mallinnuksen aloittamista käydään läpi kirjallisuutta ja testitapauksia esim. LOT Keskustellaan aiheesta muiden tutkijoiden kanssa 6

7 3. MALLIN KONSEPTIT Tarkastellaan bentoniittipuskurin sellaista kohtaa, jossa sen leikkaa rako, jonka avauma 1 mm Raosta kuparikapseliin on matkaa 0,35 m ja tässä suunnassa on lämpötilagradientti Pystysuunnassa otetaan mukaan jokin sopiva pätkä bentoniittia > 0,35 m Ilmiöt: lämpötila, kemia (tasapaino ja kinetiikka), diffuusio, virtaus (osittain kyllästynyt) EI: muodonmuutoksia eikä muuta (M) Mallin geometriat seuraavalla sivulla 7

8 REALISTISESTA 3D-GEOMETRIASTA KYTKETYN KEMIAN 2D-MALLIIN Ylhäällä iso 3Dmalli Vasemmalla suoristettu bentoniitti ja rako Oikealla sama päädystä, rako ylhäällä oikealla 8

9 Malli koostuu: 4. MALLIN VAATIMA DATA JA MUUT SOPIMUKSET o Huokosvesi- ja rakokemia: kirjallisuudesta, lämpötila-alue C o Kationinvaihto: paljon dataa MX-80, Gaines-Thomas paremmin ja Vanselow huonommin (EQ3/6 osaa vain tämän) o Mineraalien tasapainot ja kinetiikka: tasapainosta paljon dataa (lämpötila?), kinetiikasta vähemmän o Diffuusio ja konvektio: vapaa huokoisuus 10 % bentoniitissa, raossa isompi; käytetään aluksi vain yhtä diffuusiokertoimen arvoa esim. 1e-10 m 2 /s bentoniitissa ja hiukan suurempaa raossa; ohjelmissa valmiita malleja ei-kyllästyneelle virtaukselle Alkuun pääsee helpolla, mutta datassa on myös aukkoja 9

10 5. VARSINAINEN MALLIEN RAKENNUS Laskentamalleja on jo tehty kaikilla kolmella työkalulla (EQ3/6, PetraSim ja COMSOL Earth Science Model) EQ3/6:n ja PetraSimin kationinvaihto hiukan erilaista (vaikeuttaa vertailua) EQ3/6:n käyttöliittymä auttamattoman vanhanaikainen PetraSimia on hankala käyttää ja siinä on monenlaista ongelmaa COMSOL helpohko käyttää ja käyttöliittymä moderni, mutta kemian mallinnuksen ominaisuudet vaatimattomia Laskenta mallien kehitystä jatketaan PetraSim ja COMSOL-kuvattu tarkemmin seuraavalla sivulla 10

11 PetraSim Petrasim on käyttöliittymä TOUGH2 ja TOUGHREACT ohjelmistoille. TOUGH2:lla voidaan laskea virtauksia muuttuvissa lämpötiloissa usean komponentin/faasin fluidissa. Tämä voidaan tehdä 1D, 2D ja 3D tapauksissa huokoisessa ja halkeilleessa väliaineessa. TOUGHREACT lisää kemialliset reaktiot PetraSimiin. Voidaan laskea kationinvaihtoilmiöitä ja mineraalikinetiikkaa yksinkertaistetuissa geometrioissa (suorakaide geometria), koska PetraSimistä ei parempaan vielä kykene. Kationinvaihto ja kemian laskentatyökalut ovat hyviä ja riittäviä Petrasimisissä (Vanselow, G-T ja Gapon ovat kaikki mukana) Lisätty lämpötila gradientti pyrkii tasapainotilaan koko muun systeemin kanssa siten, että se tasapainottuu lämpötilojen keskiarvoon. Sisään tulevan ja ulos menevän veden lämpötila ei vaikuta tasapainotettuun lämpötilaan. PetraSimistä uusi versio tulossa (tämän kuun loppuun mennessä) 11

12 COMSOL COMSOL on joustava työkalupakki ratkaisemaan ongelmia, jotka sisältävät osittaisdifferentiaaliyhtälöitä. COMSOL:n Earth Science Module:lla olemme jo luoneet joitakin malleja liittyen veden virtaukseen ja lämpötilan johtumiseen. Mallinnusongelmia esiintyy esimerkiksi vettä johtavassa raossa, joka on n. 1 mm paksuinen. Meidän ongelmissamme rako on ollut 2D-olio, mutta se tulisi muuttaa 3D-raoksi parempien tuloksien saamiseksi. Ongelmana on laskenta ajan kasvu. Ensi kuussa ilmestyy uusi COMSOLin versio 3.5, jossa ajasta riippuvan ratkaisimen on luvattu olevan 50 kertaa nopeampi. 12

13 6. LASKENTAMALLIEN SOVELTAMINEN EQ:lla tavoitteena on ollut kemiallisen systeemin lämpötilariippuvuuden kuvaaminen COMSOLilla on pyritty geometrian tarkkaan kuvaamiseen PetraSimillä pyritään yhdistämään kemia ja aineensiirto sekä kosteuden siirto Seuraavilla kalvoilla on joitakin tuloksia 13

14 TULOKSET TÄHÄN MENNESSA JA JATKOTUTKIMUKSET Tutkittu lämpötilan vaikutusta kationinvaihtoon EQ3/6:lla Sovitettu dataa EQ3/6:n ja PetraSimin välillä Kationinvaihtoa on tutkittu EQ3/6:lla Opeteltu käyttämään PetraSimiä ja sovitettu diffuusio ja kulkeutumis dataa sen ja COMSOLin välillä. (yhä tiettyä epävarmuutta) Opetellaan käyttämään COMSOLin Earth Science ja Chemical Engineering Lab moduulia kulkeutumisongelmiin. Lisäksi pyritään monipuolistamaan PetraSimin käyttöä LÄHITHC ongelmaan (kansainvälinenkoulutus ja - kirjeenvaihto) 14

15 7. TULOSTEN JA RATKAISUN ESITTÄMINEN Esitetty jo STUKin kummeille pariin otteeseen COMSOL Hannover kokouksessa esitys, abstrakti ja kuuden sivun juttu: M. Olin, M. Tanhua-Tyrkkö, V.-M. Pulkkanen, A. Itälä, K. Rasilainen, A. Seppälä & M. Liukkonen Thermo-Hydro- Mechanical-Chemical (THMC) Modelling of the Bentonite Barriers in Final Disposal of High Level Nuclear Waste Suunnitelmissa: Diplomityö englanniksi toukokuussa 2009 Laaditaan myös runsaasti kuvia ja animaatioita 15

16 8. MALLIN YLLÄPITO Tavoitteena on rakentaa joukko sellaisia laskentatapauksia, joilla olisi myös jatkossa käyttöä Siksi tehty työ dokumentoidaan huolella, tiedostot pidetään tallessa ja nimetään ymmärrettävästi Kaikkia kolmea käytettyä mallia (EQ3/6, PetraSim ja COMSOL) on toistaiseksi ylläpidetty ja kehitetty jatkuvasti, joten lähitulevaisuudessa näin tullee jatkumaankin Mallien (työkalujen) kehitystä seurataan ja sitä pyritään edistämään 16

17 JOHTOPÄÄTÖKSET Datan sovittaminen eri ohjelmistomallien välillä ei tule olemaan helppoa Realistisempia malleja tarvitaan parempien tuloksien saavuttamiseksi COMSOL on monimutkainen ja pystyvä ohjelma, jossa on hyvät ohjekirjat, mutta vie aikaa oppia käyttämään sen koko potentiaalia. On myös haastavaa saada PetraSimin käyttöliittymä toimimaan halutulla tavalla. Tarkempi tutkimus edellyttää yhteistyötä THM -tutkijoiden kanssa Pohjavesikemistien kanssa Pohjavedenvirtausmallintajien kanssa 17

Samankaltaiset tiedostot

Bentoniittipuskurin jääkauden jälkeinen eroosio

Bentoniittipuskurin jääkauden jälkeinen eroosio Matti Liukkonen & Markus Olin # # Nykyinen osoite: Science consulting cheq&diff BENTONIITTIPUSKURIN JÄÄKAUSIEROOSIO Jääkausi- eli glasiaalieroosio voi heikentää