Transport of water, vapour, heat and solutes in concrete for storing radioactive waste

Abstract

Cementitious materials are used as barriers in radioactive waste storage. Hence, transport processes in this kind of material are important. The objective of this thesis is to improve the understanding of transport of water (liquid and gas), heat and solutes in concrete. This is applied in the concrete from the low-and intermediate- level radioactive waste facility at El Cabril (Southern Spain). To do so, the following methodology was used. First, evaporation tests in concrete columns have been simulated in order to obtain thermo-hydraulic parameters. The conceptual model considers unsaturated liquid flow and transport of vapour and energy. The retention curve was estimated from relative humidity and gravimetric water content at the end of the test. Relative permeability, thermal conductivity and tortuosity factor for vapour diffusion were obtained by calibrating the numerical model. Results show that the vapour diffusion is the dominant water transport process above an evaporation front and liquid advection is dominant below it. Second, numerical models simulating the processes that take place inside the concrete cells have been carried out. Temperature and relative humidity measured by sensors in the cells and thermo-hydraulic parameters from laboratory tests have been used. Results show that temperature oscillations outside the cell create a temperature difference between the two sides of an air gap between the concrete containers and the wall of the cell. Water rises from the phreatic level into the wall of the cell through capillary rise. Water evaporates at the hot side (wall of the cell in summer and containers in winter) and diffuses as vapour from the hot to the cold side. Condensation is produced at the cold side. Consequently, water runs off to the drain. In order to avoid this phenomenon, various scenarios have been studied. Third, a laboratory-scale tracer test in concrete has been carried out using a high entry pressure. The conceptual model considers matrix diffusion between a mobile pore domain, were water can flow, and an immobile zone with only diffusion. Three geometries have been compared, considering the immobile zone as slabs, spheres or tubes. Porosity of the mobile zone and characteristic time were estimated by calibrating the model results to the measured breakthrough curves of deuterium and bromide. The calculated values show that the characteristic time depends on the geometry, and a similar porosity of the mobile zone was estimated for all geometries. Bromide behaviour could not be reproduced even when linear retardation was applied. Finally, reactive transport models of concrete has been applied in order to study the changes in mineralogy produced during the performance of the tracer test. All minerals are considered in the immobile zone. The cement paste consists of alite, belite, gypsum, calcite, C-S-H gel, portlandite and ettringite. The aggregates are composed of quartz. Overall model results show mineral dissolution of alite, belite, gypsum and quartz and precipitation of C-S-H gel, portlandite, ettringite and calcite. The model shows that the porosity in the immobile zone increases due to mineral dissolution. However, the conceptual used model cannot reproduce the changes in permeability.

Els materials fets amb ciment s'utilitzen en l'emmagatzematge de residus radioactius. Per tant, els processos de transport en aquest tipus de materials són importants. L'objectiu d'aquesta tesi és millorar la comprensió del transport d'aigua (en fase líquida i gasosa), calor i soluts en el formigó. Concretament l'utilitzat en l'emmagatzematge de residus radioactius de mitja i baixa activitat del centre d'emmagatzematge El Cabril (Sud d'Espanya). Per tal de dur a terme aquest objectiu s'ha seguit la metodologia que es detalla a continuació. En primer lloc, s'han simulat assaigs d'evaporació en formigó per tal d'obtenir-ne els paràmetres termo-hidràulics. El model conceptual considera flux en medi no saturat, transport de vapor i d'energia. S'ha estimat la corba de retenció a partir de les dades d'humitat relativa i contingut gravimètric del final de l'assaig. Mitjançant la calibració del model numèric, s'ha obtingut la permeabilitat relativa, la conductivitat tèrmica i el factor de tortuositat de la difusió de vapor. Els resultats del model numèric mostren que el procés de difusió de vapor es dominant per sobre d'un front d'evaporació i l'advecció de líquid ho és per sota d'aquest front. En segon lloc, s'¿han fet models numèrics per simular els processos que tenen lloc en les estructures d'emmagatzematge de residus. S'han utilitzat dades de temperatura, humitat relativa mesurades per sensors en les cel·les d'emmagatzematge, i també paràmetres termo-hidràulics obtinguts a partir d'assaigs de laboratori. Els resultats mostren que les oscil·lacions de temperatura de l'exterior creen una diferencia de temperatura dins la cel·la d'emmagatzematge. Concretament, entre els dos costats d'un espai d'aire que hi ha entre la paret de la cel·la i els contenidors. L'aigua ascendeix des del nivell freàtic a la paret de la cel·la a través d'ascens capil·lar. Es produeix evaporació al costat calent (paret de la cel·la a l'estiu i contenidor a l'hivern), i es produeix condensació al costat fred. Com a conseqüència, es recull aigua al desguàs. S'han estudiat diferents casos per evitar aquest fenomen. En tercer lloc, s'ha realitzat un assaig de traçadors en formigó, a escala de laboratori, on s'han utilitzat elevades pressions d'infiltració. El model conceptual considera difusió en la matriu, entre una zona mòbil on l'aigua pot fluir i una zona immòbil on només hi ha difusió. S'han comparat tres geometries, considerant la zona immòbil com a blocs, esferes o tubs. La porositat de la zona mòbil i el temps característic s'han estimat calibrant el model numèric amb les corbes d'arribada de deuteri i bromur. Els resultats mostren que el temps característic depèn de la geometria utilitzada, i s'obté una porositat de la zona mòbil similar per a totes les geometries. El comportament del bromur no es pot reproduir encara que s'apliqui un retard lineal. Finalment, s'han utilitzat models de transport reactiu en formigó per estudiar els canvis en la mineralogia produïts durant l'assaig de traçadors. Tots els minerals estan en la zona immòbil. El ciment està format per alita, bel·lita, guix, calcita, gel C-S-H, portlandita i ettringita. Els agregats estan formats per quars. Els resultats mostren dissolució d'alita, bel·lita, guix i quars, i precipitació de gel C-S-H, portlandita, ettringita i calcita. El model mostra que la porositat de la zona immòbil augmenta degut a la dissolució de minerals. No obstant, el model conceptual no pot reproduir els canvis en la permeabilitat amb el model conceptual utilitzat.