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。     

高放废物地质处置缓冲回填材料研究进展综述

随着核能的发展,不可避免要产生大量高放射性废物。对于高放废物的处置国际上普遍接受的方法是深部地质处置。膨润土及其含砂混合料以其优异的性能被认为是高放废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。该文从仪器设备的研制、本构模型、膨胀特性、模型实验及原位试验、热-力-水耦合过程的理论研究及其数值模拟等方面简要总结了膨润土及其含砂混合料作为缓冲/回填材料的一些国际研究进展。作者期待国家相关部门能加大经费投入和支持力度,推动我国这一领域的研究走向全面和深入,为核能事业的发展保驾护航。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究现状与展望

高放废物处置中,膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质的研究对高放废物地下处置库的建设具有重要意义。在总结国内外缓冲/回填材料研究现状和成果基础上,该文认为试验仪器的研制、开发添加不同材料的混合材料、考虑高温-高压-高吸力条件的试验研究、模型试验、热-水-力-化耦合模型的建立和数值分析是今后一段时间内混合型缓冲/回填材料研究的重点。     

膨润土-砂混合物缓冲层热传导性试验研究

由于高放废物长期衰变放热,因此缓冲材料的热性能参数对处置库的稳定和安全运营具有重要意义。膨润土-砂混合物中石英砂的掺入可有效改善其热传导性能。本研究采用中粒石英砂作辅料,利用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪对不同干密度、掺砂率和含水率试样进行测量,分析不同参数对导热性能的影响;采用自行设计的装置对按比例缩小后的试样进行不同热源温度下的热传导模拟试验,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、应力和位移的变化及分布情况,对比分析不同热源幅值对其分布影响的敏感程度。研究结果表明,导热系数随着干密度、掺砂率增大而增大,且含水率越高增幅越明显;热源温度越高,缓冲层温度、应力及位移的变化越大,且热-力耦合条件下,径向比轴向变化相对较大。热源温度较低时处置库更为稳定。     

高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型及有限元分析

建立一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大.     

盐溶液中膨润土峰值剪切强度的计算方法

膨润土作为高放废物地质处置库的工程屏障材料,在高放废物储存罐与围岩间起缓冲作用,与地下围岩裂隙水接触,膨润土的剪切强度产生变化,危及核废物处置库缓冲层的安全。因此,计算盐溶液中膨润土的剪切强度对保障核废物处置库缓冲层安全具有十分重要的意义。利用双电层理论,从微观角度定性地解释了盐溶液浓度对膨润土峰值剪切强度影响的机理;根据膨润土在盐溶液中的应力平衡,提出考虑盐溶液的渗透吸力影响的修正有效应力概念,反映盐溶液浓度对膨润土强度的影响;基于膨润土表面的分形模型,导出与渗透吸力对应的修正有效应力的表达式,盐溶液的渗透吸力采用修正的Debye-Hückel公式计算;根据Mohr-Coulomb准则,膨润土在盐溶液中的峰值剪切强度(■)由修正有效应力(p~e)表示为统一线性关系:■。     

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。     

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.     

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...     

比利时高放废物处置库设计及与基岩和工程屏障体系的热-水-力性状的相关研究

在比利时，泥岩中地质处置是高放废物最终处置的首选，处置库在高放废物与生物圈之间的多重屏障基础上设计的，而Boom泥岩作为基岩的研究已有20多年历史，1980年比利时做出重大决定，建立名为HADES的地下研究机构，以研究Boom泥岩在地下223m处的力学性质，并调查和论证处置的可行性，为处置库屏障（天然和人工）提供可靠数据，在HADES的众多现场试验中很多试验用来对基岩和工程屏障体系（包括封口和回填的可行性）热-水-力性状进行研究，包括CACTUS，ATLAS，BACCHUS和RESEAL等项目。自1995年以来，研究开发计划向大型和示范性试验方向发展。最主要成果是运用工业技术建立地下研究设施（竖井和井巷）可行性得到了验证，且这种工业技术给研究提供一个较好机会，便于进一步认识基岩泥岩（CLIPEX方案）的水-力性状及了解隧道开挖工程（SELFRAC课题）对挖掘破坏区的影响，另一个重大成果是成功地实现对一种称为“OPHELE”的预掉膨润土（人工屏障材料）加热和水化地面大型试验。下一步工作内容包括实现大尺寸现场加热器试验（PRACLAY试验），此试验预计于2006年开始，并可持续10a之久，据此，首先简要描述比利时高效废物处置库设计，然后回顾Boom泥岩和工程屏障体系的热-水-力性状相关试验，最后介绍下一步大规模PRACLAY试验。     

高庙子膨润土及其混合材料导热性能研究

导热性能是高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要性能之一。采用瞬变平面热源法,研究了我国高放废物地质处置首选缓冲/回填材料高庙子膨润土,及以其为主料,添加不同含量石英砂、北山花岗岩碎屑组成的混合材料的导热性能。分析了添加剂种类和含量、干密度、饱和度等因素对导热系数的影响。研究结果表明:高庙子膨润土及其混合材料的导热系数、热扩散系数都随干密度和含水量的增大而增大;石英砂、北山花岗岩碎屑能够不同程度提高膨润土的导热系数,石英砂的作用优于北山花岗岩碎屑;饱和度对添加剂发挥其提高缓冲/回填材料导热性能的作用影响明显,饱和度越高,添加剂的作用越显著。     

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。     

高庙子膨润土的土水特征曲线

近年来，用于高放废物深地质处置工程屏障的高压密膨润土越来越受到关注。经过全国范围内的比较和筛选，内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。采用渗析法和水汽平衡法来控制吸力技术，通过上水特征曲线测定试验、环境扫描电镜和乐汞试验，研究高庙子高压密膨润土在不同吸力下的持水特性及其微观结构特征。利用压汞试验结果推算膨润土在恒体积条件下的土水特征曲线，并与实测数据进行比较。研究结果表明：在不同吸力作用下，膨润土的持水特性与其微观结构之间有着密切关系。     

中国高放废物处置库缓冲材料物理性能

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。中国深地质处置的概念模型采用多重工程屏障系统（包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲／回填材料）和适宜的地质围岩地质体共同作川来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润上由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能向被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国筛选，高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地。从2000年起，对产自该矿床的钠基膨润土GMZ-1开始了系统的研究工作。介绍了GMZ-1的矿物组成、基本特征和GMZ-1在不同干密度、不同含水量条件下的热传导、水传导、力学性能参数及GMZ-1在不同干密度条件下的膨胀特性参数测定结果。GMZ-1钠基膨润土具有蒙脱石含量高（75％左右）、杂质矿物相对较少的特点，对于该材料的系统和深入研究对于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有重要意义。     

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。     

考虑渗透吸力影响膨润土的修正有效应力及其验证

普遍认为膨润土是高放废物地质处置库缓冲/回填层的理想材料,膨润土在地下水溶液中的膨胀变形和剪切强度关乎高放废物地质处置库的安危。地下水溶液中膨润土膨胀变形和剪切强度受到渗透吸力影响,根据膨润土表面分形模型,建立考虑渗透吸力应力影响的修正有效应力公式,用竖向应力p和渗透吸力π表示为■,并采用膨润土在NaCl溶液中的膨胀变形和剪切强度进行验证。NaCl溶液中膨润土的膨胀变形与修正有效应力p~e表示为同一曲线■,峰值剪切强度与修正有效应力p~e表示为同一直线■,符合Mohr–Coulomb准则。     

高放核废物地质处置中工程屏障研究新进展

中国对该课题的研究始于1985年，但是长期以来未能引起足够的关注，相关研究项目也非常有限。近年来，随着中国经济的快速增长，能源短缺问题越来越严重，发展和利用核能己作为一种主要的解决方案，因此核废物的安全处置则成为现实的重要课题。中国在利用膨润土作为工程隔绝材料方面的研究工作，主要限于选择合适的膨润土，而高庙子膨润士作为最终选择的缓冲材料，其基本物理-化学特性已得到确定，但有关热-水-力耦合的试验尚未开展，相关课题的研究也尚需努力。鉴于国际上已对多种其他备选膨润土进行过大量研究，有关成果可望用于指导即将在中国进行的高庙子膨润土试验研究。此文的主要目的就是为中国核废物的地质处置研究提供一些有益的经验。首先，介绍使用基于膨润土的工程隔绝核废物地质处置方法，这一方法已为广泛接受；然后，介绍膨润土的选择标准，地质-化学特性、热-水-力性态（包括微观结构、宏观性态、接缝性态和数值分析），以及在放射性废物处置过程中产生的气体对工程隔绝层的影响等，通过不同实例来展示试验原理和主要结果；最后，对近期国内外研究成果和未来发展前景进行总结。     

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。     

遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型及有限元分析

 建立一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。