Dissertation/ Thesis
Hydro-mechanical modeling of gas flow through clay-based engineered isolation barriers
| Τίτλος: | Hydro-mechanical modeling of gas flow through clay-based engineered isolation barriers |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Sayad Noghretab, Babak |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Puig Damians, Ivan, Olivella Pastallé, Sebastià |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 194 p. |
| Θεματικοί όροι: | hydro-gas-mechanical coupling, 3D modeling, gas migration, double porosity, material heterogeneity, macro- and micro-porosity, embedded fracture networks, preconsolidation pressure, CODE_BRIGHT, Barcelona Expansive Model (BExM), image-based modeling, micro-CT image processing, mercury intrusion porosimetry (MIP), directional variogram, geostatistics, automatic heterogeneity, handmade heterogeneity, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general |
| Περιγραφή: | (English) Safe management of high-level radioactive waste (HLRW) requires durable isolation from the biosphere over geologic time. Deep geological repositories (DGRs) rely on engineered and natural barriers, with bentonite as a key buffer and backfill material because it seals fractures, sorbs radionuclides, and develops swelling pressure during hydration. During operation and early post closure, resaturation and corrosion generate gas, so predicting system behavior requires coupled hydro gas mechanical models that represent double porosity, heterogeneity, and preferential pathways. This Thesis addresses that need by integrating explicit pathway mechanics in compacted buffers, double porosity constitutive laws for pellet/powder mixtures, and image-based statistics linked to finite element simulations in CODE_BRIGHT. First, a three-dimensional coupled hydro gas mechanical model of the large-scale gas injection test (LASGIT) is formulated with heterogeneous initial permeability, embedded fractures with dilatancy, and explicit gap closure states at the canister–buffer interface and is exercised through targeted sensitivity analyses. Second, the BENTOGAZ laboratory mixture of equal parts pellets and MX-80 powder is modeled with the Barcelona Expansive Model to couple microstructure and macrostructure; systematic parameter studies are complemented by a handmade heterogeneity setup that assigns distinct properties to randomly distributed pellet and powder domains. Third, an image to model workflow for SEALEX links micro-CT analysis to simulation: binarized slices yield macroporosity maps, directional variograms quantify anisotropy and correlation lengths, and the fitted statistics generate anisotropic porosity fields that enable automatic heterogeneity on the finite element mesh. Together, these methodologies constitute a set of methods that couple explicit fractures with dilatancy, dual structure behavior, and image informed spatial heterogeneity for repository relevant assessment of gas entry, resaturation, and sealing performance. |
| Description (Translated): | (Català) La gestió segura dels residus radioactius d’alta activitat (RRAA) exigeix un aïllament durador de la biosfera a escala geològica. Els repositoris geològics profunds (RGP) es basen en barreres enginyades i naturals, amb la bentonita com a material clau de coixí i rebliment perquè segella fractures, sorbeix radionúclids i desenvolupa pressió d’inflament durant la hidratació. Durant l’operació i la fase inicial posterior al tancament, la resaturació i la corrosió generen gas, de manera que la predicció del comportament del sistema requereix models acoblats hidro-gas-mecànics que representin doble porositat, heterogeneïtat i camins preferents. Aquesta tesi dona resposta a aquesta necessitat integrant mecànica de camins explícits en coixinets compactats, lleis constitutives de doble porositat per a mescles de pèl·lets/pols, i estadística basada en imatge vinculada a simulacions d’elements finits a CODE_BRIGHT. En primer lloc, es formula un model tridimensional acoblat hidro-gas-mecànic de l’assaig d’injecció de gas a gran escala (LASGIT) amb permeabilitat inicial heterogènia, fractures incrustades amb dilatància i estats explícits de tancament de buit a la interfície entre el contenidor i el coixí, i s’aplica a anàlisis de sensibilitat dirigides. En segon lloc, la mescla de laboratori BENTOGAZ de parts iguals de pèl·lets i pols MX-80 es modela amb el Model Expansiu de Barcelona (BExM) per acoblar microestructura i macroestructura; els estudis sistemàtics de paràmetres es complementen amb una configuració d’heterogeneïtat definida manualment que assigna propietats diferenciades a dominis de pèl·lets i de pols distribuïts aleatòriament. En tercer lloc, un flux de treball d’imatge a model per a SEALEX enllaça la microtomografia computada de raigs X (micro-TC) amb la simulació: els talls binaritzats generen mapes de macroporositat, els variogrames direccionals quantifiquen anisotropia i longituds de correlació, i les estadístiques ajustades generen camps de porositat anisotròpics que permeten heterogeneïtat automàtica a la malla d’elements finits. En conjunt, aquestes metodologies constitueixen un conjunt de mètodes que acoblen fractures explícites amb dilatància, comportament de doble estructura i heterogeneïtat espacial informada per imatge per a l’avaluació, en condicions de repositori, de l’entrada de gas, la resaturació i la capacitat de segellat. (Español) La gestión segura de los residuos radiactivos de alta actividad (RRAA) exige una aislación duradera de la biosfera a escala geológica. Los repositorios geológicos profundos (RGP) se apoyan en barreras ingenieriles y naturales, con la bentonita como material clave de amortiguación y relleno porque sella fracturas, sorbe radionúclidos y desarrolla presión de hinchamiento durante la hidratación. Durante la operación y la fase temprana posterior al cierre, la resaturación y la corrosión generan gas, por lo que predecir el comportamiento del sistema requiere modelos acoplados hidro-gas-mecánicos que representen doble porosidad, heterogeneidad y trayectorias preferentes. Esta tesis responde a esa necesidad integrando mecánica de trayectorias explícitas en amortiguadores compactados, leyes constitutivas de doble porosidad para mezclas de pellets/polvo, y estadística basada en imágenes vinculada a simulaciones de elementos finitos en CODE_BRIGHT. En primer lugar, se formula un modelo tridimensional acoplado hidro-gas-mecánico del ensayo de inyección de gas a gran escala (LASGIT) con permeabilidad inicial heterogénea, fracturas embebidas con dilatancia y estados explícitos de cierre del hueco en la interfaz entre el contenedor y el amortiguador, y se somete a análisis de sensibilidad dirigidos. En segundo lugar, la mezcla de laboratorio BENTOGAZ de partes iguales de pellets y polvo MX-80 se modela con el Modelo Expansivo de Barcelona (BExM) para acoplar microestructura y macroestructura; estudios sistemáticos de parámetros se complementan con una configuración de heterogeneidad definida manualmente que asigna propiedades distintas a dominios de pellets y de polvo distribuidos aleatoriamente. En tercer lugar, un flujo de trabajo de imagen a modelo para SEALEX enlaza la microtomografía computarizada de rayos X (micro-CT) con la simulación: los cortes binarizados producen mapas de macroporosidad, los variogramas direccionales cuantifican anisotropía y longitudes de correlación, y las estadísticas ajustadas generan campos de porosidad anisotrópicos que habilitan heterogeneidad automática en la malla de elementos finitos. En conjunto, estas metodologías constituyen un conjunto de métodos que acoplan fracturas explícitas con dilatancia, comportamiento de doble estructura y heterogeneidad espacial informada por imágenes para la evaluación relevante a condiciones de repositorio de la entrada de gas, la resaturación y el sellado. DOCTORAT EN ENGINYERIA DEL TERRENY (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-457563 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/696998 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457563 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.696998 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-457563 |
|---|