Park, Dohyun;Ryu, Dong-Woo;Choi, Byung-Hee;Sunwoo, Choon;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.23
no.4
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pp.308-318
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2013
Thermal stratification in heat stores is essential to improve the efficiency of energy storage systems and deliver more useful energy on demand. It is generally well known that the degree of thermal stratification in heat stores varies depending on the aspect ratio (the height-to-width ratio) and size of the stores. The present study aims to investigate the effect of the aspect ratio and storage volume of rock caverns for storing hot water on thermal stratification in the caverns and heat loss to the surroundings. Heat transfer simulations using a computational fluid dynamics code, FLUENT were performed at different aspect ratios and storage volumes of rock caverns. The variation of thermal stratification with respect to time was examined using an index to quantify the degree of stratification, and the heat loss to the surroundings was evaluated. The results of the numerical simulations demonstrated that the thermal stratification in rock caverns was improved by increasing the aspect ratio, but this effect was not remarkable beyond an aspect ratio of 3-4. When the storage volume of rock caverns was large, a higher thermal stratification was maintained for a relatively longer time compared to caverns with a small storage volume, but the difference in thermal stratification between the two cases tended to decrease as the aspect ratio became larger. In addition, the numerical results showed that the heat loss to the surrounding rock tended to increase with an increase in aspect ratio because the surface area of rock caverns increased as the aspect ratio became larger. The total heat loss from multiple small caverns with a reduced storage volume per cavern was larger compared to a single cavern with the same total storage volume as that of the multiple caverns.
Park, Dohyun;Ryu, Dongwoo;Choi, Byung-Hee;Sunwoo, Choon;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.23
no.2
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pp.150-159
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2013
It is generally well known that the stratification of thermal energy in heat stores can be improved by increasing the aspect ratio (the height-to-width ratio) of the stores. Accordingly, it will be desirable to apply a high aspect ratio so as to demonstrate the good thermal performance of heat stores. However, as the aspect ratio of a store increases, the height of the store become larger compared to its width, which may be unfavorable for the structural stability of the store. Therefore, to determine an optimum aspect ratio of heat stores, a quantitative mechanical stability assessment should be performed in addition to thermal performance evaluations. In the present study, we numerically investigated the mechanical stability of silo-shaped rock caverns for underground thermal energy storage at different aspect ratios. The applied aspect ratios ranged from 1 to 6 and the mechanical stability was examined based on factor of safety using a shear strength reduction method. The results from the present study showed that the factor of safety of rock caverns tended to decrease with the increase in aspect ratio and the stress ratio of the surrounding rock mass was influential to the stability of the caverns. In addition, the numerical results demonstrated that under the same conditions of rock mass properties and aspect ratio, mechanical stability could be improved by the reduction in cavern size (storage volume), which indicates that one can design high-aspect-ratio rock caverns by dividing a single large cavern into multiple small caverns.
A numerical study of the performance assesment of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in improved Korean reference disposal system (KRS+) for high-level radioactive waste is conducted using TOUGH2-MP/FLAC3D simulator. Decay heat from high-level radioactive waste increases the temperature of the repository, and it decreases as decay heat is reduced. The maximum temperature of the repository is below a maximum temperature criterion of 100℃. Saturation of bentonite buffer adjacent to the canister is initially reduced due to pore water evaporation induced by temperature increase. Bentonite buffer is saturated 250 years after the disposal of high-level radioactive waste by inflow of groundwater from the surrounding rock mass. Initial saturation of rock mass decreases as groundwater in rock mass is moved to bentnonite buffer by suction, but rock mass is saturated after inflow of groundwater from the far-field area. Stress changes at rock mass are compared to the Mohr-Coulomb failure criterion and the spalling strength in order to investigate the potential rock failure by thermal stress and swelling pressure. Additional simulations are conducted with the reduced spacing of deposition holes. The maximum temperature of bentonite buffer exceeds 100℃ as deposition hole spacing is smaller than 5.5 m. However, temperature of about 56.1% volume of bentonite buffer is below 90℃. The methodology of numerical modeling used in this study can be applied to the performance assessment of coupled THM processes for high-level radioactive waste repositories with various input parameters and geological conditions such as site-specific stress models and geothermal gradients.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2000.11a
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pp.705-712
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2000
The fluid generally flows through fractures in crystalline rocks where most of underground storage facilities are constructed because of their low hydraulic conductivities. The fractured rock is better to be conceptualized with a discrete fracture concept, rather continuum approach. In the aspect of fluid flow in underground, the simultaneous flow of groundwater and gas should be considered in the cases of generation and leakage of gas in nuclear waste disposal facilities, air sparging process and soil vapor extraction for eliminating contaminants in soil or rock pore, and pneumatic fracturing for the improvement of permeability of rock mass. For the purpose of appropriate analysis of groundwater-gas flow, this study presents an unsteady-state multi-phase FEM fracture network simulator. Numerical simulation has been also conducted to investigate the hydraulic head distribution and air tightness around Ulsan LPG storage cavern. The recorded hydraulic head at the observation well Y was -5 to -10 m. From the results obtained by the developed model, it shows that the discrete fracture model yielded hydraulic head of -10 m, whereas great discrepancy with the field data was observed in the case of equivalent continuum modeling. The air tightness of individual fractures around cavern was examined according to two different operating pressures and as a result, only several numbers of fractures neighboring the cavern did not satisfy the criteria of air tightness at 882 kPa of cavern pressure. In the meantime, when operating pressure is 710.5 kPa, the most areas did not satisfy air tightness criteria. Finally, in the case of gas leaking from cavern to the surrounding rocks, the resulted hydraulic head and flowing pattern was changed and, therefore, gas was leaked out from the cavern ceiling and groundwater was flowed into the cavern through the walls.
The geology of the study area is composed mainly of conglomerate, sandstone, and shale and basalt. It is a rock that has been observed to move relatively recently through various brittle deformation and various stress fields during the recent period. To form a gentle terrain with severe crushing. The slope is located at the intersection of the Taegok Fault in the north-northeast direction and the Bukok Fault in the western north-west direction, and many faults, fault zones and fracture zones of various sizes are developed in the rock bed. In this study, the geological characteristics of the slope are investigated and the countermeasure method is suggested. It is suggested that periodical measurement and analysis should be performed by installing a measuring instrument according to each structure for safety management of the surrounding roads and grounds during construction or reinforcement by the countermeasure method for the slope of the study area.
In deep open pit mines, slope stability is very important. Particularly, increasing the depths increase the risks in mines having weak rock mass. Blasting operations in this type of open pits may have a negative impact on slope stability. Several or combination of methods can be used in order to enable better analysis in this type of deep open-pit mines. Numerical modeling is one of these options. Many complex problems can be integrated into numerical methods at the same time and analysis, solutions can be performed on a single model. Rock failure criterions and rock models are used in numerical modeling. Hoek-Brown and Mohr-Coulomb terms are the two most commonly used rock failure conditions. In this study, mine planning and discontinuity conditions of a lignite mine facing two big landslides previously, has been investigated. Moreover, the presence of some damage before starting the study was identified in surrounding structures. The primary research of this study is on slope study. In slope stability analysis, numerical modeling methods with Hoek-Brown and Mohr-Coulomb failure criterions were used separately. Preparing the input data to the numerical model, the outcomes of patented-blast vibration minimization method, developed by co-author was used. The analysis showed that, the model prepared by applying Hoek-Brown failure criterion, failed in the stage of 10. However, the model prepared by using Mohr-Coulomb failure criterion did not fail even in the stage 17. Examining the full research field, there has been ongoing production in this mine without any failure and damage to surface structures.
In the underground 500 m depth, the high level radioactive waste disposal system is made by boring the tunnel in the base rock and putting the high level waste disposal canister that is the surrounding form with the buffer material. According to the many statistics, it is the tendency that the earthquake increases in the Korean peninsula every year. In case that the earthquake is generated, the disposal canister in the rock mass can be broken due to the shearing force in the underground. Furthermore, a major environmental problems can be caused by the radioactive harmful substances. In this study, the earthquake-proof type buffer material was developed with the protection method safely on the earthquake. The main parameter having an effect on the earthquake-resistant performance was analyzed and the earthquake-proof type buffer material was designed. The shear analysis model was developed and the performance of the earthquake-proof type buffer material was evaluated by using ABAQUS.
Park, Jung-Wook;Park, Do-Hyun;Choi, Byung-Hee;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.22
no.4
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pp.243-256
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2012
Developing efficient and reliable energy storage system is as important as exploring new energy resources. Energy storage system can balance the periodic and quantitative mismatch between energy supply and energy demand and increase the energy efficiency. Industrial waster heat and renewable energy such as solar energy can be stored by the thermal energy storage (TES) system at high and low temperatures. TES system using underground rock carven is considered as an attractive alternative for large-scale storage, because of low thermal conductivity and chemical safety of surrounding rock mass. In this report, the development of available thermal energy storage methods and the characteristics of storage media were introduced. Based on some successful applications of cavern storage and high-temperature storage reported in the literature, the applicabilities and practicabilities of storage media and technologies for large-scale cavern thermal energy storage (CTES) were reviewed.
Utilization of completed open-pit for mining waste disposal is an alternative method of tailing storage facility (TSF), which can minimize the area and cost required for the installation of TSF. However, long-term tailing disposal into open-pit has a potential risk of reducing mechanical stability of surrounding rock mass by acting as an additional load. In this research, a realistic open-pit tailing disposal scenario of 60,400 hours was established based on the case of Marymia gold mine, Australia. Mechanical stability of surface pillar between open-pit and underground stope was analyzed numerically by using Sigma/W, under different stope geometry and rock mass conditions. Simulation results showed that long-term tailing disposal into open-pit can significantly increase the failure probability of surface piller. This result suggests that mechanical stability of mine geometry should be conducted beforehand of open-pit tailing disposal.
In deep geological disposal of high-level radioactive waste, the surrounding rock at the immediate vicinity of the deposition hole may experience localized changes in permeability due to in-situ stress at depth, swelling pressure from resaturated bentonite buffer, and the heat generated from the decay of radioactive isotopes. In this study, experimental data on changes in permeability of granite, a promising candidate rock type in South Korea, were obtained by applying various confining pressures and temperature conditions expected in the actual disposal environment. By conducting the permeability test on KURT granite specimens under three or more hydrostatic pressure conditions, the relation in which the permeability decreases exponentially as the confining pressure increases was derived. The temperature-induced changes in permeability were found to be negligible at temperatures below the expected maximum of 90℃. In addition, by establishing a relation in which the initial permeability is proportional to the power of the initial porosity, it was possible to estimate permeability value for granite with a specific porosity under a certain confining pressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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