Enhancing Safety Of Nuclear Waste Disposal By Exploiting Regional Groundwater Flow: The Recharge Area Concept

ABSTRACT:

The Recharge Area Concept is the proposition that in Canadian-Shield type natural environments recharge areas of regional groundwater flow systems are superior for high-level nuclear waste repositories to other types of groundwater flow regimes, especially to areas of groundwater discharge. This conclusion is reached from an analysis of basinal groundwater flow models. The calculations were made for a two-dimensional flank of a fully saturated topographic basin, 20 km long and 4 km deep, in which groundwater is driven by gravity. Variants of hydraulic-conductivity distributions were considered: 1) homogeneous; 2) stratified; and 3) stratified-faulted. The faults' attitudes were changed by steps from vertical to horizontal for different variants. The model is assumed conceptually to represent the crystalline-rock environment of the Canadian Shield.

The hydrogeologic performances of hypothetical repositories placed 500 m deep in the recharge and discharge areas were characterized by thirteen parameters. The principal advantages of recharge- over discharge-area locations are: 1) longer travel paths and return-flow times from repository to surface; 2) robustness of predicted values of performance parameters; 3) field-verifiability of favourable hydrogeologic conditions (amounting to an implicit validation of the calculated minimum values of return-flow times); 4) site acceptance based on quantifiable and observable flow-controlling parameters; and 5) simple logistics and favourable economics of site selection and screening. As a by-product of modeling, it is demonstrated that the presence of old water is not an indication of stagnancy.

RÉSUMÉ:

Le concept de zone de recharge indique que, dans des environnements naturels du type du Bouclier canadien, les zones de recharge des systèmes aquifères régionaux sont préférables pour les stockages de déchets nucléaires à haut risque aux autres types de régimes d'écoulement souterrain, et particulièrement aux zones de décharge d'eau souterraine. Cette conclusion est tirée d'une analyse des modèles d'écoulements souterrains dans les bassins. Les calculs ont été réalisés pour la partie latérale en 2-D d'un bassin topographique complètement saturé, long de 20 km et profond de 4 km, dans lequel la nappe s'écoule sous l'effet de la gravité. Différentes distributions de la conductivité hydraulique ont été prises en considération: 1) homogène, 2) stratifiée, et 3) stratifiée avec failles. Le plongement des failles a été modifié par étapes depuis la verticale jusqu'à l'horizontale, pour différentes variantes. Dans son concept, le modèle est sensé représenter l'environnement des roches cristallines du Bouclier canadien.

Le fonctionnement hydrogéologique d'hypothétiques sites de stockage souterrain à 500 m de profondeur dans les zones de recharge et de décharge ont été caractérisés par 13 paramètres. Les principaux avantages des zones de recharge par rapport aux zones de décharge sont 1) des axes d'écoulement et des temps de retour du lieu de stockage à la surface plus longs; 2) la robustesse des valeurs prédites pour les paramètres de fonctionnement; 3) la possibilité de vérifier sur le terrain les conditions hydrogéologiques favorables (ce qui revient à une validation implicite des valeurs minimales calculées des durées de retour des écoulements); 4) le choix d'un site sur la base des paramètres de contrôle de l'écoulement quantifiables et observables, et 5) une logistique simple et une coût favorable pour la sélection du site et son isolement. Parmi les conséquences de cette modélisation, on démontre que la présence d'eau ancienne n'est pas un indice d'absence d'écoulement.

RESUMEN:

El Concepto de Área de Recarga consiste en que, en medios naturales de tipo similar al Escudo Canadiense, las áreas de recarga en sistemas regionales de flujo de aguas subterráneas son mejores para el almacenamiento de residuos nucleares de alta actividad que otras zonas, especialmente las áreas de descarga. A esta conclusión se ha llegado a partir de un análisis del flujo de agua subterránea en modelos de cuenca. Los cálculos se realizaron en una ladera bidimensional de una cuenca topográfica totalmente saturada, de 20 km de largo y 4 km de profundidad, bajo condiciones de flujo subterráneo gravífico. Se consideraron las siguientes variantes respecto a las distribuciones de conductividad hidráulica: 1) homogénea; 2) estratificada; y 3) estratificada-con fallas. La posición de las fallas se varió de manera escalonada desde vertical a horizontal para distintas variantes. Se considera que este modelo conceptual proporciona una buena representación del medio cristalino rocoso del Escudo Canadiense.

El comportamiento hidrogeológico de hipotéticos almacenamientos situados a 500 m de profundidad en áreas de recarga y descarga se caracterizó mediante trece parámetros. Las principales ventajas de las áreas de recarga sobre las de descarga son: 1) mayores caminos recorridos y tiempos de llegada desde el almacenamiento a la superficie; 2) robustez de los valores predichos para los parámetros de comportamiento; 3) verificabilidad en campo de las condiciones hidrogeológicos favorables (equivalente a una validación implícita de los valores de tiempos de llegada mínimos calculados); 4) aceptación del emplazamiento basada en parámetros cuantificables y observables; y 5) logística simple y economía de selección des emplazamiento. Como un producto secundario de la modelación, se demuestra que la presencia de paleoagua no es necesariamente una indicación de estancamiento del agua.