Berechnungsverfahren

Berechnetes 3D-Temperaturfeld im Nahfeld eines Einlagerungsbohrlochs Quelle: BGR

Modellberechnungen werden zur Ermittlung der Beanspruchung geologischer oder geotechnischer Strukturen durchgeführt, insbesondere zur Prognose der langfristigen Reaktion auf thermische, hydraulische, mechanische und chemische (THMC) Einwirkungen. Dazu wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, die die zwei- oder dreidimensionale Simulation von gekoppelten Prozessen im Untergrund ermöglicht.

Grundlage der Modellerstellung bei Fragestellungen aus der Endlagerung sind meist ein geologisches Strukturmodell und die Geometrie eines Endlagerbergwerks. Daraus wird ein Berechnungsmodell entwickelt, das einen bestimmten Gebirgsausschnitt umfasst. Für die Parametrisierung werden meist Gebirgsbereiche zu Homogenbereichen mit jeweils einheitlichen Materialeigenschaften zusammengefasst. Daran schließt sich die Diskretisierung des Berechnungsmodells an, d. h. die Unterteilung der betrachteten Strukturen in finite Elemente – dem Berechnungsnetz. Mit diesem Modell werden die wesentlichen physikalischen Prozesse, wie Wärmeausbreitung, Deformation und Grundwasserströmung räumlich und zeitlich aufgelöst berechnet.

Schema zu Kopplungsmechanismen von thermischen (T), hydraulischen (H), mechanischen (M) und chemischen (C) Prozessen Quelle: BGR

Hierbei kommt der Kopplung von Prozessen eine besondere Bedeutung zu. Als Ergebnis erhält man beispielsweise die Temperaturentwicklung im Untergrund über 1 Million Jahre, die Entwicklung von Gebirgsspannungen und -verformungen, dilatante Gebirgsbereiche oder auch Grundwasserströmungen. Dazu setzt die BGR verschiedene Programmsysteme zur Modellierung, numerischen Analyse, Auswertung, Darstellung und Datenarchivierung ein:

• JIFE^MP (Java Application for Interactive Nonlinear Finite-Element-Analysis in MultiPhysics)
• OpenGeoSys
• Flac 3D
• RHINO/GRIDDLE
• INCA/PATRAN/TecPlot/Paraview
• GINA_OGS (Pre- und Postprozessingprogramm für OpenGeoSys)

Die numerischen Modelle erfahren eine ständige Weiterentwicklung, die sich am aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik orientiert. Die BGR ist hierfür in nationalen und internationalen Forschungsprojekten (DECOVALEX, BENVASIM, EJP-EURAD, BASTION, BEACON, GEOMINT, BASAL) beteiligt.

Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden beispielsweise im Rahmen von Endlagerstandortprojekten (wie Morsleben, Konrad, Asse) und im konventionellen Kavernenbau verwendet. Ferner werden sie bei der Bewertung der Standfestigkeit und der Integrität geologischer Barrieren und geotechnischer Barrieren eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete sind die Auslegung und Interpretation von Labor- und In-situ-Experimenten (z. B. Äspö, Mont Terri).

Neben der Berechnung von realen Systemen werden numerische Berechnungen für virtuelle Experimente herangezogen. So können beispielsweise die Auswirkungen von Veränderungen in Materialeigenschaften oder geometrischen Größen untersucht werden oder verschiedene Modellannahmen zum Materialverhalten vergleichend analysiert werden. Auf diese Weise tragen numerische Modellberechnungen zum Systemverständnis bei.

Im Zusammenhang mit der Bewertung von Standorten für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle werden numerische Berechnungen bei Sicherheitsuntersuchungen herangezogen, um das Einschlussvermögen des Gesteins zu beurteilen.