高放废物地质处置及其若干关键科学问题

如何安全处置高水平放射性废物是科学、技术和工程界所面临的挑战性问题。在介绍国内外最新研究进展的基础上，重点讨论高放废物地质处置的若干关键科学问题：处置库场址地质演化的精确预测、深部地质环境特征、多场耦合条件下（中（高）温、地壳应力、水力作用、化学作用、生物作用和辐射作用等）深部岩体、地下水和工程材料的行为、低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为及处置系统的安全评价。同时，介绍了国外若干重大科研项目和若干研究热点问题。     

高放废物地质处置北山预选区新场地段地质特征

 介绍我国高放废物地质处置北山预选区新场地段的地质特征以及我国选址工作的最新进展——岩块筛选。以美国TM卫星照片解译和野外地质勘查为主要手段,研究新场地段花岗岩类和断裂构造的时空分布特征。按岩石谱系单位的划分原则和方法,建立3个花岗岩类超单元和3个独立单元;识别出40条断裂,并对其规模、产状、力学性质和破碎程度等特征进行调查。以此为基础,先参照国外处置库选址经验,筛选出2个相对完整并具有一定规模的岩块,即新场岩块和芨芨槽岩块;然后以高精度卫星照片(美国Quick Bird)和地表工程揭露为手段,对所选岩块的边界断裂、内部断裂进行调查;对岩块地表837个露头的节理进行测量和统计分析(节理优势组、平均间距和平均迹长等)。研究结果表明,新场和芨芨槽岩块均比较完整,可作为处置库的候选岩块进入钻孔研究阶段。实践证明,岩块筛选可为岩块的钻孔研究提供更详细的基础地质资料,在处置库的选址过程中起到事半功倍的作用。     

塔里木盆地与北山地区高放废物处置地质环境安全性对比分析

参照地震发生频率、地块稳定特性等地质环境因素,结合水中的同位素及水化学特征分析,对塔里木盆地东部地区的核试验场地与北山地区作为高放废物处置场的预选址的安全性与合理性加以对比论述。研究结果显示,北山地区30 km以下的下地壳中存在着高导低速层,附近地区历史上曾发生过多次大地震,是一个相对不稳定地块。北山的地下水经分析并非是最初认定的“古水”,也不是来自当地降水,而是祁连山的降水通过深大断裂带补给的,北山附近的花海地区自流井的流量就达到了106 m3/a。北山地区的深层地下水为淡水,径流速度较快,下游为生态与环境的重点保护区额济纳盆地,因此会不利于将其作为高放废物处置场的选址。相比较而言,塔里木盆地东部地区历史上从未发生过较大的地震,地壳层中不存在高导低速层,同位素数据显示其地下水主要来自当地的降雨和河流的入渗补给,地下水中总溶解固体随着深度的增加而增加,地下水的循环周期较长,地下径流的最终排泄区是罗布泊荒漠戈壁地区,而且塔里木盆地东部军事禁区存在面积超过3 000 km2的花岗岩。因此在已经受到污染的核试验地区修建永久性处置高放废物要比北山地区更为安全,即使未来发生最不利的污染等事件也可以将对环境与生态的破坏降到最低。     

高放废物处置库花岗岩热–力耦合模拟研究

 根据典型高放废物处置库概念模型,应用FLAC3D有限差分程序模拟计算了数百年内热–力耦合(TM)条件下高放废物地质处置库围岩的温度场、应力场和变形场的变化特征,初步得到在一定废物罐热源强度及衰变函数条件下花岗岩体的热力学特征及处置巷道工程设计的合理间距。模拟结果表明：在－500 m水平建造处置库,按设定的释热强度,处置坑合理间距为8～12 m,废物罐表面温度为130 ℃,处置坑中线岩体最高温度为40 ℃,并保持数百年左右。     

水文地球化学在高放废物处置库选址中的应用

介绍了高放废物处置库研究的有关内容,重点阐述了高放废物处置研究中涉及的有关水文地球化学问题,并总结相关问题研究所取得的成果和认识,指出了在今后的研究工作中应该注意的问题。     

裂隙岩体核素迁移模型及其在高放废物地质处置库安全性能评价中的应用

通过一维迁移模型的线性叠加，提出了基于裂隙参数随机分布的多途径裂隙核素迁移模型。模型可计算任意给定点处核素的弥散通量(Bq／a)。模型从随机分布的裂隙导水系数出发，将随机分布的裂隙导水系数平均分成有限个单元，每1单元即代表1条运移途径，并具有其相应的裂隙参数(如导水系数、隙宽)和分布频率。裂隙中任意给定点处核素的弥散通量则由各运移途径的计算结果按导水系数的分布频率进行叠加得出。     

高放废物处置库中COx黏土岩回填材料压缩特性研究

 高放废物处置库中回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的设计和安全性有重要影响。目前,粉碎后的Callovo-Oxfodian(COx)黏土岩(法国)被考虑为可选的回填材料之一。通过开展一维压缩试验,研究2种不同粉碎工艺下获得的粗/细COx土样的压缩特性,结果表明：压缩曲线受粒度成分的影响非常明显,为获得同等压实度,细粒土所需的压实功能较粗粒土高,除此之外,细粒土的压缩指数也高于粗粒土,表现出较强的压缩性;随着土样压实密度的增加,粗/细土样的压缩曲线逐渐靠拢,粒度成分对压实功能影响逐渐减弱;土样卸荷时回弹指数随干密度的增加而增加,受粒度成分的影响不明显;高压实(rd = 2.0 g/cm3)粗粒土样在7 MPa的轴向应力下饱和时,体积发生明显的塌陷现象,饱和后土样的压缩指数小于饱和前,而回弹指数则较饱和前高。     

高放废物处置中的THM耦合理论及分析

 高放废物处置研究是非常重要和必要的，其处置形式的选择是处置安全的重要因素之一，相应处置结构的物理力学特性研究是决定高放废物处置形式的重要依据。在介绍高放废物处置形式的基础上，提出高放废物处置的相关研究课题，紧接着阐述高放废物处置中THM耦合理论，膨润土的土水特征曲线不仅相关于外部施加应力、蒸汽压力、水压力，而且也相关于温度；在考虑气体在压力作用下的传播、气体在水中的溶解和气体的凝固等影响下，建立气体和液体中的水量守恒方程；在考虑敏感热流和潜热流影响下，建立能量守恒方程；将所有的方程写成有限元和有限差分计算格式；最后编制一维计算程序。计算结果对在花岗岩体中决定高放废物储存洞室之间间距具有借鉴作用。     

物理问题解决中的科学意象内涵、特点及其生成策略

科学意象是人在进行科学活动过程中生成的具有科学意义的心理图像。在物理问题解决过程中,科学意象的生成有三种策略:意义主导;表象主导;意义表象融合。相对应物理问题的表征方法有:文字联想法、图像引导法、数学迁移法。通过正确表征物理问题,有利于解题者建构正确的科学意象,解决物理问题。