TY - BOOK
T1 - Merkkiainekokeiden tulkinta laskentamallilla
AU - Tukiainen, Vesa
PY - 2000
Y1 - 2000
N2 - Diplomityössä selvitettiin VTT:llä aiemmin käyttöönotetun virtaus- ja
kulkeutumismallin FTRANS käyttömahdollisuuksia laboratoriomittakaavassa
tehtyjen kokeiden mallintamiseen ja tulkintaan. Mallia kehitettiin aiempaa
paremmin soveltuvaksi laboratoriossa tehtyjen kokeiden tulkintaan. Suurimpana
muutoksena malliin lisättiin ominaisuus, jolla radionuklidien kiinnittyminen
kiven mineraalipinnoille eli sorptio voidaan kuvataan kineettisesti.
Merkkiainekokeita on tehty Helsingin yliopiston radiokemian laitoksella
(HYRL). Koetyyppeinä mallinnettaviksi ajateltiin batch-kokeita ja
virtauskolonnikokeita. Batch-kokeissa tutkitaan veteen liuenneiden
radionuklidien vuorovaikutusta kivimurskeen tai kiinteiden kivilohkojen
kanssa. Virtauskolonnikokeissa taas tutkitaan radionuklidien kulkeutumista
virtaavan veden mukana keinotekoisesti valmistetun virtauskolonnin läpi.
Virtauskolonneina käytetään joko murskeella täytettyjä putkia tai
keinotekoisesti valmistettuja rakoja.
Batch-kokeissa vaikuttav
ina mekanismeina voidaan FTRANS:ssa ottaa huomioon sorptio murskeen tai
kiinteiden lohkojen ulkopinnoille sekä diffuusio ja sorptio kiven sisäisissä
huokosissa. Virtauskolonnikokeiden tulkinnassa voidaan mekanismeina huomioida
kulkeutuminen keskimääräisen virtauksen mukana, dispersio, sorptio murskeen
ulkopinnoille tai rakojen pinnoille sekä diffuusio ja sorptio kiven sisäisissä
huokosissa, mistä käytetään termiä matriisidiffuusio. Sorptio voidaan uudessa
osamallissa kuvata aiemmasta poiketen kineettisenä reaktiona. Rakokolonneilla
tehtävien kokeiden mallinnukseen kehitettiin menetelmä, jossa
matriisidiffuusion vaikutus voidaan teoriassa tunnistaa mitatun läpäisypulssin
käyttäytymisestä pulssin maksimia selvästi suuremmilla ajanhetkillä.
Tehtyjä kokeita tulkittiin malleilla, joissa käytettiin erilaisia vaikuttavien
mekanismien yhdistelmiä. Batch-kokeissa mittauksia parhaiten selittävä malli
vaihteli kokeessa käytetystä kivilajista ja murskekoosta riippuen.
Virtauskolonnikokeista mal
linnettiin ainoastaan raoilla tehtyjä kokeita. Sorboitumattomien
merkkiaineiden kokeita ei täysin pysytty selittämään keskimääräisellä
virtauksella ja pitkittäisellä dispersiolla. Näillä parametreilla joudutaan
käytännössä kuvaamaan raossa esiintyvien virtausvaihteluiden vaikutus
kulkeutumiseen, koska todellista virtauskenttää ei tunneta. Sorboituvien
aineiden mittauksien mallinnuksen yhteydessä voitiin todeta, että
matriisidiffuusion vaikutusten tunnistaminen kehitetyllä menetelmällä
vaikuttaa lupaavalta. Koska raon virtausolosuhteiden vaikutusta ei pystytty
mallinnuksessa täydellisesti kuvaamaan, ei tämän työn yhteydessä voitu päästä
täyteen varmuuteen rakokolonnikokeissa vaikuttavista mekanismeista. Tulevien
kokeiden suunnittelua varten esitettiin kaksi koeolosuhteisiin liittyvää
parametria joista toinen liittyy virtausolosuhteiden hallitsemiseen
sorboitumattomilla merkkiaineilla ja toinen mittausajan hallitsemiseen
sorboituvilla merkkiaineilla.
Batch-kokeiden kannalta FTRANS tar
joaa riittävät mallinnusmahdollisuudet kokeiden tulkintaan.
Virtauskolonnikokeiden mallinnukseen FTRANS soveltuu hyvin, mikäli kolonnin
todellisen virtauskentän vaikutus pysytään efektiivisesti kuvaamaan
keskimääräisellä virtausnopeudella ja pitkittäisellä dispersiokertoimella eli
1-dimensioisella advektio-dispersio yhtälöllä.
AB - Diplomityössä selvitettiin VTT:llä aiemmin käyttöönotetun virtaus- ja
kulkeutumismallin FTRANS käyttömahdollisuuksia laboratoriomittakaavassa
tehtyjen kokeiden mallintamiseen ja tulkintaan. Mallia kehitettiin aiempaa
paremmin soveltuvaksi laboratoriossa tehtyjen kokeiden tulkintaan. Suurimpana
muutoksena malliin lisättiin ominaisuus, jolla radionuklidien kiinnittyminen
kiven mineraalipinnoille eli sorptio voidaan kuvataan kineettisesti.
Merkkiainekokeita on tehty Helsingin yliopiston radiokemian laitoksella
(HYRL). Koetyyppeinä mallinnettaviksi ajateltiin batch-kokeita ja
virtauskolonnikokeita. Batch-kokeissa tutkitaan veteen liuenneiden
radionuklidien vuorovaikutusta kivimurskeen tai kiinteiden kivilohkojen
kanssa. Virtauskolonnikokeissa taas tutkitaan radionuklidien kulkeutumista
virtaavan veden mukana keinotekoisesti valmistetun virtauskolonnin läpi.
Virtauskolonneina käytetään joko murskeella täytettyjä putkia tai
keinotekoisesti valmistettuja rakoja.
Batch-kokeissa vaikuttav
ina mekanismeina voidaan FTRANS:ssa ottaa huomioon sorptio murskeen tai
kiinteiden lohkojen ulkopinnoille sekä diffuusio ja sorptio kiven sisäisissä
huokosissa. Virtauskolonnikokeiden tulkinnassa voidaan mekanismeina huomioida
kulkeutuminen keskimääräisen virtauksen mukana, dispersio, sorptio murskeen
ulkopinnoille tai rakojen pinnoille sekä diffuusio ja sorptio kiven sisäisissä
huokosissa, mistä käytetään termiä matriisidiffuusio. Sorptio voidaan uudessa
osamallissa kuvata aiemmasta poiketen kineettisenä reaktiona. Rakokolonneilla
tehtävien kokeiden mallinnukseen kehitettiin menetelmä, jossa
matriisidiffuusion vaikutus voidaan teoriassa tunnistaa mitatun läpäisypulssin
käyttäytymisestä pulssin maksimia selvästi suuremmilla ajanhetkillä.
Tehtyjä kokeita tulkittiin malleilla, joissa käytettiin erilaisia vaikuttavien
mekanismien yhdistelmiä. Batch-kokeissa mittauksia parhaiten selittävä malli
vaihteli kokeessa käytetystä kivilajista ja murskekoosta riippuen.
Virtauskolonnikokeista mal
linnettiin ainoastaan raoilla tehtyjä kokeita. Sorboitumattomien
merkkiaineiden kokeita ei täysin pysytty selittämään keskimääräisellä
virtauksella ja pitkittäisellä dispersiolla. Näillä parametreilla joudutaan
käytännössä kuvaamaan raossa esiintyvien virtausvaihteluiden vaikutus
kulkeutumiseen, koska todellista virtauskenttää ei tunneta. Sorboituvien
aineiden mittauksien mallinnuksen yhteydessä voitiin todeta, että
matriisidiffuusion vaikutusten tunnistaminen kehitetyllä menetelmällä
vaikuttaa lupaavalta. Koska raon virtausolosuhteiden vaikutusta ei pystytty
mallinnuksessa täydellisesti kuvaamaan, ei tämän työn yhteydessä voitu päästä
täyteen varmuuteen rakokolonnikokeissa vaikuttavista mekanismeista. Tulevien
kokeiden suunnittelua varten esitettiin kaksi koeolosuhteisiin liittyvää
parametria joista toinen liittyy virtausolosuhteiden hallitsemiseen
sorboitumattomilla merkkiaineilla ja toinen mittausajan hallitsemiseen
sorboituvilla merkkiaineilla.
Batch-kokeiden kannalta FTRANS tar
joaa riittävät mallinnusmahdollisuudet kokeiden tulkintaan.
Virtauskolonnikokeiden mallinnukseen FTRANS soveltuu hyvin, mikäli kolonnin
todellisen virtauskentän vaikutus pysytään efektiivisesti kuvaamaan
keskimääräisellä virtausnopeudella ja pitkittäisellä dispersiokertoimella eli
1-dimensioisella advektio-dispersio yhtälöllä.
KW - merkkiainekokeet
KW - radionuklidit
KW - mallinnus
M3 - Report
T3 - VTT Energian Raportteja
BT - Merkkiainekokeiden tulkinta laskentamallilla
PB - VTT Technical Research Centre of Finland
ER -