无损检测技术在缓冲材料砌块压制质量检测中的应用

缓冲材料是高放废物地质处置库的最后一道人工屏障,通常是以高压实预制砌块的形式堆砌在废物罐周围,砌块压制质量将极大地影响其工程性质。以缓冲材料压实砌块为研究对象,使用超声波测试、热传导测试和激光三维扫描3种无损检测方法,对不同尺寸和干密度的小型试样、大型砌块的不同位置进行了质量检测和分析。结果表明：小型试样的纵波波速随干密度和含水率的增大而增大,纵波波速与干密度呈近似线性关系,大型砌块的纵波波速随压制面距离的增加而减小;大型砌块顶面各个位置的导热系数变化不明显,砌块高度方向导热系数随压制面距离的增加而减小,且与纵波波速测试结果具有一致性。激光三维扫描技术可以快速、全面获取砌块的线、面和体等各种数据参数。因此,超声波测试、热传导测试和激光三维扫描可为缓冲材料大型砌块制备工艺的优化和砌块压制均匀性的评价提供重要的参数依据和技术支撑。     

静力压实膨润土-砂混合物膨胀特性研究

为研究缓冲回填材料静力压实试样的膨胀特性,选用高庙子钠基膨润土(GMZ)为缓冲回填材料的主料,对不同掺砂率的膨润土-砂混合物静力压实试样进行了室内膨胀力和膨胀率试验,并与动力击实高庙子膨润土-砂混合物试样的膨胀试验数据进行对比。结果表明,静力压实的高干密度试样膨胀特性试验数据结果可以很好地分布在动力击实低干密度试样数据拟合曲线上,说明静力压实与动力击实两种制样方法获得试样的膨胀特性具有完全的一致性,在现场施工时可以根据需要自由选择;同时也验证了最大膨胀力随初始干密度呈指数增长,最大膨胀率随初始干密度呈线性增长的正确性,说明高干密度与低干密度试样的膨胀特性,随掺砂率增大符合相同的变化趋势。     

高放废物地质处置缓冲材料砌块吊装转运及包装工艺的研究进展

在施工安装期,最大限度保护砌块的完整性和安全性,确保缓冲材料原位试验安装技术顺利进行,开展缓冲材料砌块转运和包装技术研究是基础保障。通过调研芬兰、瑞典和日本高放废物处置库缓冲材料砌块的吊装转运及包装工艺流程及设备。初步查明：芬兰和瑞典将制备好的砌块放置在托盘上,转运到轨道运输机或传送带将托盘转运到储存室,区别在于瑞典现场安装以起重安装装置和吸盘为主;日本在处置单元砌块现场安装试验中,采用起重机和机械夹持装置进行吊装,同时考虑砌块加工凹槽和使用辅助带防止砌块掉落;瑞典、芬兰在砌块包装均采用塑料膜包装或者将堆放在托盘上的砌块整体采用塑料膜包装;日本砌块包装采用塑料膜包装。研究表明：采用真空吸吊机可以完成大型砌块吊装转运及安装;小型缓冲材料砌块采用塑封袋包装和大型缓冲材料砌块采用塑料膜包装,能满足缓冲材料砌块临时储存要求。     

镎在GMZ01型缓冲材料中的迁移研究

深地质处置是国内、外公认的高放废物处置方式,高放废物中的放射性核素在处置缓冲回填材料的迁移是处置库安全评价研究的重要内容。分析了我国首选缓冲回填材料GMZ01型缓冲材料的矿物成分,并使用批式法和恒定源扩散法研究了²³⁷Np在其上的吸附和扩散行为,获得处置库安全评价所需的吸附分配比(K_d)和有效扩散系数D_e值。实验结果表明：GMZ01型缓冲材料主要成分为蒙脱石,具有较多的孔隙结构。²³⁷Np在GMZ01型缓冲材料25℃条件下的K_d值为(17±3) mL·g^-1,有效扩散系数为(1.12±0.08)×10^-11 m²·s^-1。     

高温对混合型缓冲砌块渗透性能影响研究

在高放废物地质处置库中,温度升高会改变缓冲材料的渗透性能。以混合型缓冲砌块为研究对象,在不同温度(25、60和90℃)和含盐度(蒸馏水DI、模拟北山地下水平均值和最大值)条件下进行渗透试验,测试其在Z、θ方向的水力传导系数K。结果表明：水力传导系数K随温度升高而增加,其中在常温条件下,K在10^-12 m·s^-1数量级;而当温度从25℃升高到60或90℃时,K分别升高到1.49～1.76倍或1.09～2.45倍。混合型缓冲砌块的θ方向的K略大于Z方向的K,但不超过2倍,表现为各向同性。干燥状态试样的K值比保湿状态试样的K值高2～7倍,仍满足低于10^-10 m·s^-1的高放废物处置缓冲材料防渗性能要求,干湿状态对水力传导系数影响不大。     

一种新的放射性核素迁移弥散系数计算方法

研究放射性核素在饱和被压实缓冲/回填材料中的迁移对于核废物处置具有十分重要的意义,为了用数学模拟的方法准确地对放射性核素迁移进行描述和预测,首先必须精确地求出有关的放射性核素迁移参数——弥散系数、吸附系数等,其中最重要之一就是弥散系数。目前确定放射性核素在被压实缓冲/回填材料中迁移弥散系数的方法主要有经验公式法和示踪实验。本工作结合放射性核素铀迁移的室内实验,应用概率理论计算了被压实缓冲/回填材料中核素迁移水动力弥散系数,讨论了被压实缓冲/回填材料水动力弥散系数和地下水流速对放射性核素在被压实缓冲/回填材料中迁移的影响。最后总结分析了具体的实现步骤。     

地表结构面影响下的花岗岩体抗剪强度分析

花岗岩中因存在的不规则结构面导致岩体在不同方向上的强度存在较大差异。在选址阶段确定岩体不同方向的力学强度参数有助于未来高放废物地质处置工程的设计与施工。连通率是反应岩体内部结构面贯通程度的重要参数,可以通过确定裂隙岩体连通率来判断工程岩体的综合抗剪强度。在现场结构面测量基础上,采用Monte-Carlo随机方法,模拟出与现场结构面几何分布特征一致的裂隙网络模型。利用裂隙网络模拟对预选区不同剪切方向结构面的连通率和岩体抗剪强度参数进行分析。研究表明：不同方向的结构面连通率和岩体抗剪强度差异性明显,其中产状为146°∠79°方向上的结构面连通率最大,内摩擦力11.92 MPa,内摩擦角44.8°,易发生破坏,需在工程设计与施工过程中予以重视。     

高温堆石墨堆体典型构件试验

研究了模块式球床高温堆石墨堆体中用来保持石墨块砌块之间相对位置的键和套销的剪切强度。在机械载荷、辐射和地震载荷作用下,键、销将受到剪切作用。石墨是脆性材料,其强度特性表现出很大的分散性,随尺寸和应力状态不同而不同,因此有必要研究各种因素对键和销剪切强度的影响。试验研究了尺寸、形状、受力方向、配合间隙、试件长度、加载速度、取材方向、材料种类、试件数量等9种可能的影响因素的影响。结果表明,不同材料的实心键剪切强度差别明显,但空心套销则差别不明显;大尺寸套销的剪切强度较小;配合间隙较小的键有较大的剪切强度;加载速度在0.02～2mm/min范围内,试件长度在100～160mm范围内,试件的剪切强度不随加载速度或试件长度的变化有明显差别等。研究结果对设计工作和堆安全性有一定实际意义。     

钒合金加载变形和损伤演化的数值模拟

钒合金具有良好的高温强度、低辐照活化和抗辐照肿胀等特性,使其成为核工程中的一种重要结构材料。为评估V-5Cr-5Ti合金应力作用下的变形和损伤演化特征,开展了光滑和有缺口两种形状合金试样拉伸加载过程的试验和数值模拟研究,并对断口形貌进行了扫描电镜（SEM）观察。根据拉伸试验拟合钒合金的材料本构参数,数值模拟获得试样加载过程的应力 应变分布和颈缩区的损伤演化,将数值模拟获得的载荷 位移曲线与试验测试对比,结果表明二者在弹性和塑性阶段的变形曲线均非常一致,扫描电镜观察获得了两种形状试样的静态拉伸断裂机制。     

高温堆石墨堆体典型构件试验

研究了模块式球床高温堆石墨堆体中用来保持石墨块砌块之间相对位置的键和套销的剪切强度。在机械载荷、辐射和地震载荷作用下,键、销将受到剪切作用。石墨是脆性材料,其强度特性表现出很大的分散性,随尺寸和应力状态不同而不同,因此有必要研究各种因素对键和销剪切强度的影响。试验研究了尺寸、形状、受力方向、配合间隙、试件长度、加载速度、取材方向、材料种类、试件数量等9种可能的影响因素的影响。结果表明,     

缓冲/回填材料——内蒙古高庙子膨润土性能研究

研究按缓冲回填材料的性能要求,对内蒙古高庙子膨润土的物质组成与结构、物理化学性质、水理性质等进行了系统研究;对添加剂改善膨润土的压实性能进行了探索性实验研究。结果表明,高庙子钠基膨润土以蒙脱石为主要矿物成分,具有良好的吸附性、膨胀性、阳离子交换性和热稳定性;石英砂添加剂可以有效地改善膨润土的压实性能;进一步论证了内蒙古高庙子膨润土矿床可以作为我国高放废物地质处置库缓冲/回填材料的供给基地。     

高庙子膨润土悬浮液流变特性试验研究

缓冲/回填材料在地下水的作用下会形成凝胶体/胶体,有可能发生侵蚀。研究膨润土悬浮液的流变特性是评价土-岩界面缓冲/回填材料长期稳定性的必要条件。使用旋转流变仪对高庙子膨润土开展不同液固比、水化学条件,以及不同离子浓度和类型的一系列流变试验,为后期膨润土颗粒侵蚀数值模拟工作提供技术支持。研究结果表明：高庙子膨润土悬浮液随着液固比增大逐渐从假塑性流体向牛顿流体转变,Herschel-Bulkley模型可以很好拟合高庙子膨润土-北山地下水悬浮液的流变曲线;随着膨润土悬浮液中添加盐的浓度增大,悬浮液表观黏度先减小后小幅增大;相同浓度条件下二价阳离子比一价阳离子使得悬浮液的表观黏度有更明显的降低。     

含人工穿透裂纹20碳钢管道抗弯矩能力试验研究

完成了全尺寸带穿透裂纹的20碳钢管道抗弯短能力的试验研究。观察了6个管试样。结果表明，EPRI法可较好地用于预测试样的抗裂纹起始扩展能力。以略大于1的修正系数乘以屈服强度与极限强度之和的1／2作为材料流动强度，Matheck-Morawieta公式可较好预测试样破前极限弯矩。     

高放废物地质处置中的工程材料

凡人类从事于与核材料有关的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物.高放废物由于具有放射性水平高、发热量大、核素寿命长等特点,其安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视.目前深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法.借鉴已有研究成果,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物罐及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的地质围岩地质体共同作用来确保高放废物与生物圈的安全隔离.参照国际上该领域的研究成果,结合我国处置概念,本文就高放废物地质处置中的工程材料(废物固化体、废物罐、外包装、缓冲材料、回填材料),以及其材料选择、设计要求和研究重点等进行了总结.     

北山花岗岩闭合裂隙剪切破坏机理研究

随着我国高放废物处置库研发战略的推进,处置库花岗岩围岩工程特性成为研究重点。天然裂隙是花岗岩中的薄弱环节,岩体往往沿既有结构面发生剪切滑移。因此裂隙剪切特性和剪切破坏机理研究意义重大。天然裂隙包括张开裂隙和闭合裂隙,其剪切特性和剪切破坏机理存在差异。针对北山地下实验室场址范围花岗岩闭合裂隙,开展剪切试验。将裂隙结构面扫描数据嵌入离散元颗粒流软件（PFC）,构建北山花岗岩闭合裂隙剪切颗粒模型,利用fish语言监测颗粒间接触（contact）失效并生成对应裂隙（fracture）以模拟试样剪切过程内部微裂纹的发育。试验获得了北山花岗岩典型闭合裂隙的剪切强度和闭合裂隙三维形貌。将试验与模拟结果进行对比,研究认为：构建的颗粒模型可较好地模拟裂隙三维形貌对剪切强度的影响,表征了花岗岩闭合裂隙剪切过程的微裂纹发育扩展过程,展示了闭合裂隙的剪切破坏机理。     

集成缓冲材料对锶的长期阻滞效应

缓冲材料作为高放废物处置库中多重屏障体系的最后一道人工屏障,其对放射性核素的阻滞性能将直接影响到处置库的长期稳定性和安全性。以具有低渗透性和良好的膨胀自愈性的膨润土作为集成缓冲材料的基材,以沸石和黄铁矿作为矿物添加剂,三者按照质量比为63∶27∶10均匀混合构成集成缓冲材料B7ZP,并采用恒定源扩散实验分析了锶在干密度为1.70g/cm~3试样中的扩散特性,结果表明,B7ZP缓冲材料对锶具有良好的阻滞性能,其表观扩散系数为3.30×10~(-12) m~2/s。同时,以多孔介质污染物迁移理论为依据,建立了锶在集成缓冲材料B7ZP中迁移的对流-弥散-吸附多场耦合方程,并应用Matlab软件分析了不同的时间尺度、渗流速率、表观扩散系数和阻滞因子等因素下集成缓冲材料B7ZP对锶的长期阻滞性能,为高放废物处置库的缓冲材料设计和长期阻滞性能评价提供科学依据。     

中国高放废物处置库缓冲材料选择与基本性能

人类的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物。其中高放废物由于具有放射性水平高,发热量大,并含有对生物极有害的α放射性的长寿命核素等特点,其安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视。目前深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法。借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的地质围岩地质体共同作用来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国膨润土矿床筛选,高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自该矿床的深部钠基膨润土作为基本组成材料。本文介绍了高庙子膨润土矿床的地质特征以及高庙子钠基膨润土的基本特征。该膨润土与国外同类型材料相比具有蒙脱石含量高(75%左右),杂质矿物相对较少的特点,这对系统和深入研究该材料以开发我国缓冲回填材料技术,确保高放废物的安全有效处置具有重要意义。     

基于微试样液压爆破法测试核压力容器用钢力学性能

微试样液压爆破法是一种可用于测试核压力容器辐照监督试样的微试样测试技术,该技术借鉴爆破片工作原理,对圆形薄片试样进行液压加压,使薄片鼓胀并爆破,在试验过程中记录载荷-圆薄片中心点位移曲线,通过曲线上的特征载荷以及试样变形关联材料常规拉伸性能。通过比较不同的近似解析法得到了适合于该型微试样试验技术的屈服强度、抗拉强度的计算方法,在上述研究的基础上对核电常用材料国产A508进行了液压爆破试验,得到了材料的强度特性,与常规单轴拉伸数据高度吻合。     

TA16传热管的断裂韧度测试方法研究

近年来,以蒸汽发生器传热管为代表的小尺寸管材的断裂韧度评价方法受到了日益关注。本文设计了一种可用于TA16传热管断裂韧性测试的含径向裂纹C形试样,基于弹塑性有限元分析获得试样的应力强度因子K和J积分的计算式。采用规则化法完成了TA16传热管的断裂韧度试验,试验结果表明,不同试样得到的J阻力曲线和条件启裂韧度J_Q的分散性均较小,J_Q均值为32.875 MPa•mm,标准差为1.377 MPa•mm。     

膨润土-砂混合物缓冲层轴向热传导性研究

膨润土-砂混合物作为高放废物处置库缓冲材料,在高放废物衰变释热作用下,其物理力学性能对处置库的稳定和安全性具有重要影响。本研究采用自行设计的装置,对按比例缩小后的不同干密度、含水率、掺砂率试样进行热传导模拟试验,并对缓冲层热-力耦合过程进行数值模拟分析,得到了缓冲层温度、应力和应变的变化及分布情况,重点分析了温度的影响。结果表明,增大试样干密度、含水率和掺砂率均可提高其导热性,应变也随之增大,应力受温度影响较早达到平衡;缓冲层靠近热源的位置温度、应力和应变最大,沿轴向方向递减,初始时刻变化明显。