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MEGAS |
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| Background | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The generation of gas in
a radioactive waste repository raises a number of questions concerning
repository safety and integrity. A review of these questions of importance
to safety assessments includes the build-up of gas pressure in a saturated
repository, leading to fracturing of the repository materials and the
expulsion of pore-water containing released radionuclides. The impact
of gas on repository safety is determined firstly by how much gas is generated,
and secondly by how the gas interacts with pore-water as it migrates from
the repository. The focus of the MEGAS project has been gaining a greater
understanding of the gas migration issues associated with repository safety. |
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| Objective of the experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The primary objective of
the MEGAS project was to understand the consequences of gas generation
on a radioactive waste repository located in a deep clay layer. The final
objective of the project was to validate a gas migration model using an
in situ gas migration experiment. |
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| Description of the experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Design: MEGAS E4 gas injection experiment |
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| MEGAS E5 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Protocol/explanation : | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In situ gas injection experiments
have been carried out at two different locations in the HADES URF on behalf
of the MEGAS project. The first experiment, referred as MEGAS E4 gas injection
experiment, was carried out from a vertical multipiezometer installed
under the bottom of the old access shaft. The second experiment, referred
as MEGAS E5 gas injection experiment, took place in the Test Drift using
a device composed of four multipiezometers. In both tests and for safety
reasons we used Helium as injected gas, since its properties are the closest
to Hydrogen. |
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| MEGAS E4 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Two gas injection experiments
were carried out from the vertical multipiezometer: from screens no. 6
and 9. Therefore, the water contained in these screens was first emptied
using a slight gas overpressure. Local pore water pressures in screens
6 and 9 were respectively equal to 1.34 and 1.75 MPa abs before the gas
injection experiments. In screen no. 6, a pulse test using a gas overpressure
of 1 MPa has first been applied for a period of 27 hours. The following
day, the gas overpressure was increased up to 1.25 MPa for 26 hours. After
five days, a second pulse test with a 1.25 MPa gas overpresure was carried
out for two hours. The gas inflow and the pressure evolution in the different
screens were monitored. |
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| These gas injection tests were followed by a hydraulic test carried out in screen no. 11. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MEGAS E5 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A hydraulic campaign has first been carried out nine months after the installation of the experimental device. Therefore, screen no. 20 was put for 44 days in contact with the atmosphere. The water outflow and the pressure drop in the surrounding screens were monitored. The hydraulic parameters were calculated with a validated computer code using an analytical solution. Let us note that the system had not reached a steady-state value yet. A gas injection experiment was
carried out from this same screen months after the hydraulic campaign
took place. The local pore water pressure was equal to 1.67 MPa g just
before the gas injection. Increments of 0.1 MPa were weekly applied to
the gas pressure, with an original overpressure of 0.1 MPa, until a gas
breakthrough was established. It should be noted that the MEGAS E5 experimental device has been further used for another gas injection test, followed by a radioactive tracer test in the frame of the PROGRESS project. |
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| Instrumentation : | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MEGAS E4 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| MEGAS E5 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Status/timing/planning : | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The project is completed. The timing took place as indicated below: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MEGAS E4 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| MEGAS E5 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Associated works: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The MEGAS project included
both experimental and modelling work packages concerning gas migration
in a clay host rock. This project was followed by the PROGRESS project,
which enlarged the scope to fractured low-permeability host rock and rock
salt., and included scientific work dedicated to the prediction of gas
generation rates. A gas status report was written on behalf of a joint
collaboration between the European Commission and the NEA. Gas migrationn
tests have also been carried out in the frame of the RESEAL experiment
in different backfill materials. |
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| Results of the experiment: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MEGAS E4 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The gas breakthrough was
quite lower than expected (excess gas pressure of 0.6 MPa instead of 1.25
MPa). The creation of one (or more) preferential pathway in the upwards
direction has been established. This can be explained by the local geomechanical
stress distribution around the multipiezometer. The hydraulic test showed
a dependence between the water injection pressure and the measured hydraulic
conductivity. This is a further evidence of the strong coupling between
hydraulic and geomechanical parameters in Boom Clay. |
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| MEGAS E5 gas injection experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A gas breakthrough to screen
19 occurred after 44 days at a gas pressure of 2.36 MPa, i.e. at an excess
gas pressure of 0.69 MPa. A preferential pathway between these filters
was established. During the first days after this gas breakthrough, the
pore pressure in screens 11 to 14, located above the injection multipiezometer,
increased by 0.03 to 0.04 MPa. A few days later, the pore pressure in
screens 10 and 15 increased by 0.02 MPa. A similar observation could be
made in the screens located on the right multipiezometer. On the left
multipiezometer, only screens 2 and 8 indicated a pore pressure increase.
The spatial distribution of these pressure changes showed neither a spherical
nor a cylindrical symmetry around the injection filter. Since such a symmetry
would have been expected in thecase of a purely hydraulic phenomenon,
this is a supplementary indication that the creation of (a) preferential
pathway(s) is coupled with a mechanical effect. The figure below shows
the pore pressure evolution in the screens adjacent to the gas injection
screen no. 20. |
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The results of the hydraulic
tests carried out in screen 20 show a progressive re-saturation in the
vicinity of the former gas injection screen.(see figure). Let us note
that the last measurement point was taken more than a year after the preceding
point. |
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The results of the hydraulic
test carried out in the screen no. 17 (showed on the figure below) indicates
a constant hydraulic conductivity for water injection pressures comprised
between the original pore water pressure, and an excess water pressure
(i.e. the difference between the water injection pressure and the original
pore water pressure) of 1.47 MPa. For excess water pressures ranging from
1.47 to 1.88 MPa, the measured hydraulic conductivity progressively increases,
showing a mechanical effect. Eventually, a hydrofracturing phenomenon
has been established at an excess water pressure of 1.88 MPa (the pore
pressures in screens no.17 and 18 became equal, and a very important pore
pressure increase was observed in screen no. 10, located above screen
no. 17 at a distance of 98 cm and slightly in the direction of the experimental
gallery). This pressure of 1.88 MPa might correspond to the local minor
effective stress component. |
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| Conclusions: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In a radioactive waste
repository located in a plastic clay layer, there might be, according
to the chosen concept and to the waste type, a gas pressure build-up generated
by gas produced mainly from the anaerobic corrosion of the metallic waste
packages. It might eventually lead to a breakthrough following the path
of least resistance in the clay. Gas would flow through preferential pathways
which directions will be orthogonal to the lowest principal effective
stress tensor component. These paths are highly unstable. A modelling
exercise considering potential effects of such gas induced pathways on
the long-term safety of the repository according to existing HLW and MLW
categories and concepts has been reported by Volckaert and Mallants (2001).
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| Bibliography: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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