Kallion jännitystilavaurioiden ennustaminen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustiloissa ja syvissä kaivoksissa
Diplomi-insinööri Lauri Uotinen väitteli 29.5.2018 Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa, rakennustekniikan laitoksella, aiheesta Kallion jännitystilavaurioiden ennustaminen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustiloissa ja syvissä kaivoksissa. Väitöskirjan nimi on englanniksi Prediction of stress-driven rock mass damage in spent nuclear fuel repositories in hard crystalline rock and in deep underground mines. Väitöksen ala on kalliomekaniikka, jännitystilavauriot.
Ydinvoima on tehokas tapa tuottaa energiaa, mutta se jättää jälkeensä käytettyä ydinpolttoainetta, joka täytyy säilöä satojen metrien syvyyteen maankuoren uumeniin turvallisesti. Kallio voi murtua painovoiman tai kalliopaineen vuoksi ja siirtymät keskittyvät kallion rakoihin. Syvissä kalliotiloissa jännitys voi kasvaa niin suureksi, että kallion pinta murtuu. Jännitysten aiheuttamien siirtymien ennustaminen on tärkeää loppusijoitusreikien pysyvyyden kannalta. Jännitystilat ja niiden aiheuttamat siirtymät ovat tärkeitä myös syvien kaivosten louhosten suunnittelussa.
Väitöstutkimuksessa suunniteltiin ainutlaatuinen kenttäkoejärjestely, jolla kalliomassaa lämmittämällä voidaan todentaa kallion lujitusrakenteiden jännitysvaurioita vähentävä vaikutus. Lisäksi kehitettiin uusi ainetta rikkomaton menetelmä kallion rakopintajäljenteiden valmistamiseen valokuvamittauksen ja 3D-tulostamisen avulla. Mittakaavavaikutuksen tutkimiseksi suoritettiin maailman suurin 2,00 m x 0,95 m leikkauskoe keinotekoisesti aiheutetulle kiven rakopinnalle.
Kehitettyä rakopintojen tallennusmenetelmää voidaan hyödyntää kallion rakopintojen mekaanisten ominaisuuksien määrittämisessä lujuuslaskentaa varten ydinjätteen loppusijoituksessa. Keksinnön kaupallistamisprojekti Fractuscan kehittää vastaavaa palvelukonseptia avolouhoksille. Väitöskirjan perusteella valokuvamittauksen avulla voidaan ennustaa rakoilleen kalliomassan jännitystilavaurioituminen.
Vastaväittäjä: Professori Ping Zhang, Luleå tekniska universitet, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Geoteknologi, Gruv- och Berganläggningsteknik, Luleå, Sverige
Valvoja: Professori Mikael Rinne, Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu, rakennustekniikan laitos, kallion, maan ja rakenteiden laskennallinen mallintaminen
Väitöskirjan verkko-osoite: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8005-5