Thermomechanical Response of a Disposal Vault in a High Horizontal Stress Field

SUMMARY: An attempt is made to predict the thermomechanical stability of a conceptual disposal vault for immobilized irradiated fuel on the basis of numerical modelling and fieldobservations. For study purposes, it is assumed that the disposal vault would be located in a granitic pluton in the Canadian Shield, at a reference depth of 1 km from the surface. The results of in-situ stress measurements have revealed a state of high horizontal compressive stresses in many parts of the Canadian Shield. Field observations indicate that fracturing and spalling of surficial layers of rock could result if the combination of thermal, in-situ and axcavation stresses exceeds the strength values of the rock. The rock stresses are computed in two steps using the finite element technique. A simulation of the excavation of the disposal vault is first carried out, taking into account the insitu stresses. This is followed by a detailed analysis of the transient temperatures and thermal stresses generated by the radiogenic heat source at various times during the postemplacement period. ZUSAMMENFASSUNG: Es wird versucht, die thermomechanische Stabilität einer sich noch im PIanungsstadium befindenden Aufbewahrungsgrube für bestrahlten Brennstoff durch zahlenmässige Modellierung und Feldbeobachtungen vorauszusagen. Zwecks Untersuchung wird angenommen, dass die Aufbewahrungsgrube in einem granitischen Pluton im “kanadischen Schild” in einer Tiefe von 1 Kilometer liegt. Die Ergebnisse der in-situ Spannungsmessungen haben einen Zustand hoher horizontaler Druckspannungen in vielen Teilen des kanadischen Schildes gezeigt. Feldbeobachtungen zeigen, dass sich Bruchbildung un Abblättern der Oberflächenschichten des Gesteins ergeben könnten, wenn die Kombination von thermischen, in-situ und durch Sprengungen verursachten Beanspruchungen die Widerstandswerte des Gesteins überschreitet. Die Felsbeanspruchungen werden in zwei Schritten mittels der Finite-Elemente-Methode berechnet. Eine Simulation des Ausbruchs der Aufbewahrungsgrube wird zunächst durchgeführt, die die in-situ Beanspruchungen in Betracht zieht. Es folgt eine ausführliche Analyse der Übergangstemperaturen und der WärmeSpannungen, die von der radiogenischen Wärmequelle zu verschiedenen Zeiten während der Periode nach der Herstellung erzeugt werden. RESUME: On essaye de prédire, sur la base de la modélisation numérique et des observations sur le site, la stabilité thermomécanique d’une caverne de stockage à l’état de la conception, destinée à recevoir le combustible irradié immobilisé. Aux fins de l’étude, on suppose que la caverne de stockage soit située dans un pluton granitique du Bouclier canadien, à une profondeur de référence d’un kilomètre de la surface. Les résultats de mesures in situ des tensions ont démontré un état de tensions compressives horizontales élevées dans plusieurs parties du Bouclier canadien. Les observations faites sur place indiquent que la fissuration et 1’écaillement des couches superficielles du rocher pourraient résulter si la combinaison des tensions thermiques, in situ et dues au creusement, dépasse les valeurs de la résistance du rocher. Les tensions du rocher sont calculés en deux étapes, utilisant la technique des éléments finis. D’abord on effectue une simulation du creusement de la caverne de stockage, en tenant compte des tensions in situ; puis on effectue une analyse détaillée des températures transitoires et thermiques générées par la source radiogénique de c haleur, àdivers moments pendant la période suivant l ‘ implantatio n.