核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

高放废物深地质处置库蒙脱土对铀酰的吸附阻滞行为:分子模拟研究

核废料处置库在长期运行过程中,地下水渗流会引起膨润土缓冲层水化学环境改变。运用分子动力学模拟方法,揭示含蒙脱土的膨润土缓冲材料对放射性核素铀酰的吸附机理及吸附复合物微观结构。模拟得到的复合物结构展现了铀酰与蒙脱土面的3种主要吸附模式:外球吸附、单键内球吸附、双键内球吸附。定量分析了在复杂水化学环境下3种铀酰种态与蒙脱土表面形成的复合物微观结构组成。通过计算复合物与蒙脱土表面的吸附能,发现高价阳离子和碳酸根离子的存在可以促进铀酰与缓冲材料表面形成稳定吸附。     

高放废物深地质处置库蒙脱土对铀酰的吸附阻滞行为:分子模拟研究

核废料处置库在长期运行过程中,地下水渗流会引起膨润土缓冲层水化学环境改变。运用分子动力学模拟方法,揭示含蒙脱土的膨润土缓冲材料对放射性核素铀酰的吸附机理及吸附复合物微观结构。模拟得到的复合物结构展现了铀酰与蒙脱土面的3种主要吸附模式:外球吸附、单键内球吸附、双键内球吸附。定量分析了在复杂水化学环境下3种铀酰种态与蒙脱土表面形成的复合物微观结构组成。通过计算复合物与蒙脱土表面的吸附能,发现高价阳离子和碳酸根离子的存在可以促进铀酰与缓冲材料表面形成稳定吸附。     

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。     

核废料地质处置近场热-水-应力-迁移耦合二维有限元分析

引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。然后针对一个假想的核废料处置库算例,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场温度、孔隙水压力及放射性核素浓度的分布及变化。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

膨润土在高碱环境中的反应变化特征

膨润土具有高膨胀性、低渗透性以及优良的核素吸附能力,被选为高放废物处置库的缓冲回填材料。然而,作为处置库主要建造材料的混凝土会随着时间衰退分解产生高碱性溶解物,与地下水形成高碱性孔隙水,膨润土会与之反应,使得孔隙结构和性能发生较大的变化而影响处置库的封闭性。本文分析了膨润土和高碱性孔隙水的反应过程以及两者之间反应的主要影响因素,总结出高碱性环境中膨润土的反应变化特征。     

膨润土的膨胀性衰减研究

利用地球化学软件Phreeqc模拟了高放核废料处置库的高压实MX80膨润土中发生的水文地球化学反应,基于长时间尺度的研究的需要,忽略热、力、流等因素的影响,主要考虑了K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺四种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀反应,建立了膨润土中的一维离子运移反应模型。模拟了不同外界流体作用下,膨润土化学组分在时间和空间上的变化。结合化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减情况进行了计算和评估。得到1万年后海水和地下水环境下的MX80膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.79和0.91。     

《岩土工程学报》2006年第28卷第9期被EI收录论文(24篇)

论文题目作者页码核废料处置概念库近场热–水–应力耦合二维有限元模拟复杂荷载及边界条件下基桩有限杆单元方法研究群桩基础的复合体模型建立与应用一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元三维地层构造的块体理论方法主应力方向对饱和松砂不排水单调剪切特性影响的试验研究粉喷桩复合地基摩阻力分布规律分析寒区隧道渗流场和温度场耦合问题的三维非线性分析土压平衡模型盾构掘进试验研究地下地震动工程特性分析Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布方法中的奇异性问题浅埋大跨公路隧道施工过程和支护优化的研究岩体产生分区碎裂化现象机理分析…     

热-水力-力学-传质耦合过程模型及工程土障数值模拟

提出了一个非饱和多孔介质中的热 -水力 -力学 -传质耦合过程模型。利用文献 [1]中提出的热 -水力 -力学本构模型 ,对工程土障系统进行数值模拟。数值模拟结果显示了环境条件对废物场中的热量产生和传输过程对工程土障中水力 -力学行为的影响以及可能在工程土障中产生塑性应变 ,导致土障破坏。污染物浓度分布的数值结果显示了温度与降水过程对污染物随地下水向土障周边自然环境渗透的倾向。数学模型及所发展的有限元求解过程可以为评估土障系统长期工作的有效性和土障系统的合理设计提供有力的工具     

实时高温及加卸载作用下非饱和压实膨润土气渗与变形特性研究

地下高放废物处置库多场耦合作用复杂,非饱和压实膨润土作为缓冲材料首选材料,需能够有效地将金属罐体表面产生的气体排出到外界以避免气压聚集。采用等效稳态法和应变片,测量样品在不同实时温度及围压加卸载作用下的体积变形和有效气体渗透率,分析变温及围压荷载对样品气渗与变形特性的影响。发现实时高温下,温度升高会增大样品加载时的压缩变形,而对卸载时的变形恢复影响不明显,且相同温度条件下加卸载过程中的有效气体渗透率与样品连通孔隙率之间均存在良好的指数关系。结合NMR扫描结果对升温降低样品气体渗透率的机制做出了解释：(1)升温增大了样品的压缩变形,降低了连通孔隙率;(2)升温加剧了气体分子的滑脱效应,增大了气流通过孔隙通道的阻力;(3)孔隙水受热膨胀改变了其在样品中的分布,进一步压缩了连通孔隙的有效喉径。该试验结果和结论加深了对缓冲材料多物理场耦合作用机制的认识,为工程设计和数值模拟提供了数据支持。     

缓冲/回填材料——膨润土颗粒及其混合物研究进展

膨润土颗粒是一种用于填充高放废物地质处置库中各种施工接缝和空隙的缓冲/回填材料。从膨润土颗粒的制备方法、填充技术与堆积性质、热传导特性、水力特性、结构演化规律及力学特性等6个方面,全面回顾和总结了近年来对膨润土颗粒的研究成果与最新进展,并分别指出了各方面值得进一步深入研究的几个课题。研究表明,膨润土颗粒可由多种方法制备,也可采用多种技术填充到处置库中,其堆积干密度和均匀性与充填技术、级配、堆积方式等因素有关,其热传导系数与干密度、含水率和温度等因素有关,其水力–力学特性与级配、干密度及温度等因素有关。通水水化或降低吸力过程中,颗粒混合物由初始松散结构逐渐转变为胶结融合结构,及至水化饱和后基本达到宏观上的均一化结构,但微观层次的均一化过程仍将持续漫长的时间。考虑到处置库实际运营工况的复杂性,科学高效的颗粒混合物填充技术、多场(热–水–化–力)耦合条件下的颗粒混合物水力–力学特性及结构演化规律是今后值得深入探索的研究方向。     

基于ABAQUS的跨断层深埋核废料罐体受力分析

文章通过对深埋核废料罐体在地壳运动作用下的受力以及破坏行为进行分析,为相关工程和研究提供参考。全文基于ABAQUS提出了膨润土,钢保护壳和核废料三维柱体水力耦合模型,通过模拟小断层倾角下核废料罐体受断层剪切作用破坏的过程,研究了不同断层面倾角,不同断层类型的断层错动对深层核废料埋置物的受力及破坏影响。通过对比分析0°、22.5°和45°三个不同断层面倾角以及正断层和逆断层两个不同断层类型作用下断层位移大小,膨润土受力状况,孔隙水压力的分布及变化,得出其膨润土受力破坏规律和孔隙压力变化规律,根据分析结果,提出核废料罐体埋置方案,为今后相关工程和研究提供有意义的借鉴。     

盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土膨胀变形特性

高放射性废物深地质处置库中,混凝土材料在地下水和辐射热的长期耦合作用下,不断衰解生成高碱性物质,进而影响高压实膨润土的膨胀变形特性,危及处置库运行安全。针对中国北山处置场地下水特征对缓冲/回填材料高压实高庙子(GMZ)膨润土变形特性的影响,分别配制北山地下水(BSW)、早期混凝土衰解液(YCW)和后期混凝土衰解液(ECW),开展了盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土的一维膨胀变形试验,获取了初试干密度(1.50,1.60,1.70,1.80 g/cm³)和上覆荷载(0.1,0.2,0.4 MPa)对膨润土变形的影响规律。结果表明：随着BSW、YCW和ECW 3种溶液相继入渗,高压实膨润土的稳定膨胀变形率不断增加,但增加值逐渐减小;当YCW和ECW入渗时,稳定膨胀变形率的增加值随干密度增加而减小,随荷载增大而减小。基于压汞试验结果,阐明了盐碱演化环境下高压实膨润土持续膨胀的微观机理。研究成果可为中国处置库缓冲/回填材料的选择和工程屏障设计提供依据。     

核废物地质处置缓冲/回填材料研究综述

随着核能的发展,将要产生大量高放射性核废物。对于核废物的处置国际上普遍采用的方法是地质处置。膨润土及其混合集成材料以其优异的缓冲性能被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。文章通过对目前国内外研究现状进行分析,简要总结了膨润土及其混合集成材料的基本特性、热传导性、渗透性以及多场耦合等方面的研究进展,期待能为推动我国这一领域的研究走向全面和深入提供参考。     

高放废物处置库黏土围岩温度-应力耦合测试方法展望

高放废物深地质处置库围岩在温度及应力耦合作用下的工程稳定性是关系环境安全的关键问题。本文对黏土围岩高放废物处置库在放射性物质放热温度及深部地应力环境应力耦合研究工作中采用的测试方法进行了系统的回顾和总结。从黏土岩热学性能测试方法以及温度对黏土岩力学性质影响研究方法两个方面,对目前高放废物温度-应力耦合特性测试的试验方法及新进展进行展开叙述,并对未来黏土岩温度-应力耦合研究方法提出展望。     

气液二相非饱和岩体热–水–应力耦合模型及二维有限元分析

针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸汽二相共存的非饱和孔隙岩体,根据相关的理论,推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了相应的分析热–水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一个核废料处置概念库的计算认识到:高放废物地质处置后的几十年内,缓冲层中的温度及液相饱和度均上升,同时该区域内要出现明显的应力、孔隙水压力、温度、液相饱和度和气相饱和度的集中现象。     

不同场热-水-应力耦合过程二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和-非饱和孔隙介质中的热-水-应力耦合模型和开发了相应的有限元程序.为验证本耦合模型及程序的可靠性和重点探讨不同场的热-水-应力耦合过程,以高放射性核废料地质处置的Prototype Repository Project(PRP)原位试验为模拟对象,对一个处置试验坑道近场进行了水单场、热-水耦合、水-应力耦合、热-应力耦合和热-水-应力耦合条件下的数值分析,考察了工程屏障及围岩中的温度、饱和度及应力的变化、分布情况,并得出了一定的认识.     

核废料贮库围岩介质不可逆过程热力学和热弹性

根据热力学的基本原理 ,导出了核废料贮库裂隙岩体介质热 -液 -力耗散过程的定解方程。探讨了非等温条件下 ,体系不可逆热力学过程 ,并对其三场耦合控制方程中附加项的物理意义进行了分析