压实膨润土砌块单轴压缩力学性能研究

膨润土是高放废物地质处置库中不可缺少的工程屏障材料,是确保处置库长期稳定的保障。为了研究膨润土压实砌块力学性能变化规律,对压实砌块不同部位采用不同加载速率进行单轴压缩试验。研究结果表明:压实膨润土无侧限抗压强度随压实干密度的增大而呈指数增大,干密度为1.75 g·cm~(-3)时,无侧限抗压强度可达8.01 MPa;试样上部应变变化量明显小于下部;体积应变随应力增大而先增大后减小,中、下部变化更为明显;压实膨润土砌块弹性参数变化保持同步;试样下部弹性模量最小,泊松比最大。     

高庙子钠基膨润土静力学性能初析

膨润土是核废物处置多重屏障系统之缓冲材料的主要组成材料，对其工程物理性能和化学缓冲性能研究是缓冲材料屏障层工程设计的基础。膨润土具有适宜的力学性能，是保证多重屏障系统稳定的一个基本因素。内蒙古高庙子膨润土矿床是我国高放处置库缓冲材料的供应基地。对高庙子钠基膨润土样品GMZ-1室温条件下无侧限抗压强度随干密度（1．4，1．6，1．8g／cm^3）和含水率（9％，14％，17％）的变化进行了系统测试。测试表明：无侧限抗压强度随干密度增加而增大；特定压实密度的膨润土无侧限抗压强度随含水率增加而减小。     

蒙脱石含量对膨润土膨胀行为影响的试验研究

高放废物深地质处置中,作为缓冲回填材料的膨润土应具有良好的膨胀性能。为了解蒙脱石含量对膨润土膨胀行为的影响,采用自行设计的试验装置对不同蒙脱石含量膨润土的膨胀行为进行了试验研究。结果表明,在试验条件下,成型膨润土膨胀行为的各项指标(轴向最大膨胀力和径向最大膨胀力)均随着蒙脱石含量的增加而增加,且呈线性关系。蒙脱石含量为70%时,径向、轴向最大膨胀力分别达到2.03 MPa和2.25 MPa,其比值为0.902。结果可为膨润土设计提供参考。     

239Pu在高庙子膨润土中的吸附特征研究

通过静态吸附实验,研究了水相pH值、239Pu初始浓度、离子种类等因素对239Pu在高庙子膨润土中吸附行为的影响。吸附试验表明,239Pu在高庙子膨润土样品中的吸附平衡时间约为24 h,且其吸附分配比Kd值随pH值而增大,随239Pu的初始浓度增大而减小;而对于不同离子种类对239Pu在膨润土中的吸附:阴离子中CO32-对膨润土的吸附影响最大,吸附分配比Kd值最小,其次为HCO3-和SO42-,而Cl-和NO3-对膨润土的吸附基本没有影响。     

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。     

碱金属离子及碱溶液对膨润土性能影响的研究进展

基于前人有关膨润土在碱性环境下的室内试验和数值模拟的研究结果,重点阐述了碱金属离子及碱溶液对膨润土矿物成分、微观结构、膨胀性和渗透性等方面的影响,讨论了温度、pH值与溶液浓度等对上述过程的影响.碱金属离子及碱性溶液不仪可交换膨润土中蒙脱石层间阳离子,而且可溶解膨润土中的蒙脱石,生成非膨胀性矿物,并随着温度和pH值升高,蒙脱石被溶解程度增加,从而导致了膨润土膨胀力减小,且随着温度、溶液浓度及pH值的增加,膨胀力削弱程度加强;同时,膨润土与碱金属离子及碱溶液接触时孔隙增多,进而渗透性增强,随着温度和溶液浓度增加,渗透性也明显增强.数值模拟可实现膨润土与碱性溶液长期接触时发生的矿物成分及渗透性变化的预测.高温、不同pH值的低碱性溶液及其耦合作用对膨润土的矿物化学成分、微观结构、膨胀力和渗透性的影响及机理研究应该是今后研究的重点.     

高庙子膨润土在电子辐照和高温老化后热稳定性研究

为研究膨润土的长期稳定性,以高庙子天然钙基膨润土及其改性钠基膨润土为研究对象,利用热重一差示扫描量热（TG-DSC）方法对不同累积剂量的电子辐照和不同温度、不同热作用时间下的老化样品进行了分析。结果表明：高温作用引起的膨润土吸热峰峰值温度和起始温度的变化比电子辐照的大;钠基土比钙基土有更好的耐电子辐照和高温老化能力。在电子辐照／高温老化条件下,改性高庙子钠基膨润土的结构热稳定性比其钙基膨润土好。     

温度敏感PNIPA/膨润土复合水凝胶辐射法合成及其性能研究

本工作以N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)为聚合单体,采用辐射法合成了PNIPA/膨润土复合水凝胶材料,研究了钠基膨润土与有机改性膨润土种类、膨润土的含量以及分散条件对水凝胶溶胀性能的影响.溶胀性能测试结果表明,加入膨润土的复合水凝胶其溶胀性能优于均聚PNIPA,加入有机膨润土的复合凝胶平衡溶胀率(SR)最好,且表现较好的温度响应性和快速的相转变特性;随着有机膨润土含量的增加,复合水凝胶的SR和温度响应性均逐渐升高,当膨润土含量为10%时,水凝胶的溶胀性能最优.退溶胀实验结果表明,PNIPA/有机膨润土水凝胶失水最快,在0.5h内,其失水率为83%,PNIPA/钠基膨润土水凝胶失水74%,而PNIPA水凝胶失水则只有50%左右.压缩性能测试结果表明,加入膨润土后,水凝胶的压缩强度、最大压缩力等均有了不同程度的增大,随着土含量的增加,凝胶的压缩性能呈上升趋势,当有机改性土含量为15%时,其压缩强度为均聚PNIPA的2.5倍,压缩屈服力由原来的0.38N增加到5.28N,提高了约14倍.     

Ca^(2+)盐溶液在高庙子膨润土中的扩散研究北大核心CSCD

高放废物地质处置库近场地下水可能会对处置库内的屏障体系产生影响,降低处置库的安全稳定。为研究地下水中盐离子在处置库内缓冲回填体系的扩散规律,本文开展了静态无外荷载条件下内蒙古高庙子(GMZ)膨润土在Ca^(2+)盐溶液中自发渗吸的吸附扩散室内试验。从土的微观结构和经典扩散理论对Ca^(2+)在不同干密度和初始饱和度的膨润土试样中的自发扩散规律进行了分析。研究结果表明,在膨润土初始饱和度相同的情况下,试样阻滞系数随其干密度增加而增大,此时Ca^(2+)的扩散能力减弱;当膨润土干密度相同时,随着初始饱和度的增加基质吸力作用减弱,阻滞系数减小,Ca^(2+)的扩散能力减弱。     

膨润土与水相互作用初步研究

为研究膨润土与水作用后对高放废物地质处置安全性产生的影响,将不同蒙脱石含量的临安钠基膨润土和兴和钙基膨润土置于水中长期浸泡3 000 h。结果表明:二种膨润土的膨胀指数皆随着蒙脱石含量的增加而增加,且最大膨胀指数与蒙脱石含量间的对数值呈线性关系;膨胀平衡后上清液中一价阳离子浓度大于二价阳离子的浓度,且随着蒙脱石含量的增加而增加,数据表明Na⁺浓度与膨润土中蒙脱石含量的对数值呈线性关系;上清液烘干后残留物质量随蒙脱石含量增加而增加,XRD图谱表明其中已存在蒙脱石。这些结果可作为进一步开展地质处置中缓冲材料与地下水相互作用的研究基础。     

裂隙水流-传热对高放废物处置库近场温度影响的三维离散元分析

裂隙水流-传热是高放废物处置库行为的重要影响因素。为研究裂隙水流-传热对高放废物处置库近场温度的影响,采用3DEC离散元软件计算分析了完整岩体模型和裂隙岩体水流模型对处置库近场温度分布和演变的影响。计算分析表明:由于裂隙水流的吸热降温作用,裂隙岩体模型的废物罐表面膨润土温度低于完整岩体模型的废物罐表面膨润土温度,并缩短了达到稳态所需要的时间;裂隙水流上游区域废物罐表面膨润土温度显著低于裂隙水流下游区域废物罐表面膨润土温度;在设定条件下,裂隙岩体模型的废物罐表面膨润土最高温度约为完整岩体模型废物罐表面膨润土最高温度的75%,裂隙水流速度从0.2mm/s增大到0.5mm/s,废物罐表面膨润土最高温度降低约4%。     

三维方孔硅探测器的热中子探测影响研究

采用基于Monte-Carlo方法的Geant4程序对填充~6LiF中子转换材料的三维方孔硅探测器的热中子探测进行了模拟,研究了探测器结构与探测效率、能量沉积谱的关系。探究了方孔截面尺寸、孔间距、孔深度、系统最小可探测限(LLD)等参数对热中子探测效率的影响。研究结果表明,探测效率随截面尺寸或孔间距的增大先增加后减小,随孔深度的增加而增大,直到一个极限值。经优化结构参数,在LLD为300 keV的情况下,孔间距大于6μm的三维方孔硅探测器的探测效率受LLD的影响较小。理论上,三维方孔硅探测器的最佳尺寸为孔间距6μm、孔截面尺寸30μm、孔深度1 mm,其探测效率可达59.5%。     

Pore structure in oxide films on irradiated and unirradiated zirconium alloys

Scanning electron microscopy, two-stage replica electron microscopy, and porosity measurements on oxide films formed on Zircaloy-2 and Zr-2.5% Nb alloy samples are analyzed to show the differences in the pore structures in the two cases. For Zircaloy-2 the evidence indicates that the pore network that develops in the post-transition oxidation regime penetrates to the oxide-metal interface, whereas for the Zr-2.5% Nb alloy the evidence suggests that an impervious barrier layer of oxide persists to very high weight gains, although the outer part of the oxide is porous. No distinct visual differences were seen between oxide films formed in the laboratory and in-reactor. The differences in the pore structures of the oxides formed on Zircaloy-2 and Zr-2.5% Nb may account for the large differences in in-reactor behaviour, particularly hydrogen absorption, seen with pressure tubes of the two alloys.     

中子孔隙度测井探测器气压响应数值模拟

在补偿中子孔隙度测井中He-3管利用(n,p)反应来探测热中子,管内灵敏区所充氦气气压对中子探测效率影响较大,决定中子孔隙度测量精度。利用蒙特卡罗方法模拟研究不同地层条件下远、近探测器计数率随He-3气压的变化规律。计算结果显示,随着He-3气压增大,近、远探测器计数先增大再趋于平缓,计数比值略有增大,孔隙度灵敏度增加,孔隙度测量误差呈幂指数减小,提高了测量精度。研究结果可为仪器研制过程中选择He-3管提供技术支持。     

Isotope Separation Effect of Granular Type Barriers

Isotope separation by gaseous diffusion through a granular type barrier was studied by means of model barriers made with granulated bronze of 40, 60, 120μ grain size and of 35–74% measured porosity and 9.7–24.5μ mean pore radius. The relation between permeability and mean pressure of two vessels was obtained by observing the transient behavior shown during the equalization of a pressure difference provided between the two vessels, when they were connected to each other by a passage through the barrier. The isotope separation efficiency of Ar was measured at various flow rates obtained by changing the fore-pressure in steps of 30, 50 and 100 torr. The experimental results were compared with calculated values obtained with the granular model theory. The observed values of permeability agreed well with calculation, but in respect of the separation efficiency the computed values were somewhat high. The results were also compared with the theoretical values based on the capillary model. The effective pore radii calculated from the permeability data were close to the values obtained by mercury porosimetry.     

The porosity correction factor for the thermal conductivity of ceramic fuels

The variation of the porosity correction factor, β, with temperature and pore shape was studied by using the Fricke equation for the thermal conductivity of a two-phase medium containing the second phase as randomly distributed ellipsoids. The temperature variation occurs via a parameter, γ, related to the conductivity of the pores. The effect of pore shape was determined via the axial ratio, ε, of oblate or prolate ellipsoidal pores. The results are presented graphically in curves showing the variation of β with γ and ε.     

Re(Ⅶ)在辐照膨润土中的扩散行为研究

高庙子(GMZ)膨润土在长期深地质处置过程中会受到高放废物的辐照,物理化学性质可能会发生改变。本文采用贯穿扩散实验法,研究了pH=3.0和10.0条件下,Re(Ⅶ)在1MGy辐照的蒙脱石和膨润土中的扩散行为,并与未辐照的蒙脱石和膨润土相比较,得到了有效扩散系数De和有效孔隙率εacc。结果表明:pH=3.0时,De=(1.00~1.49)×10~(-11) m~2/s,εacc=0.09~0.14;pH=10.0时,De=(1.50~2.10)×10~(-11) m~2/s,εacc=0.07~0.11。随着酸度的增加,有效扩散系数和孔隙率基本不变,说明pH值对Re(Ⅶ)的扩散过程无影响。在蒙脱石中,辐照后的有效扩散系数降低;而在膨润土中,辐照后的有效扩散系数升高,这可能是由于γ辐照改变了膨润土除蒙脱石以外黏土的微观结构,有效孔隙率的增加导致Re(Ⅶ)扩散通道的宽度增加。但由于有效扩散系数和有效孔隙率的改变不大,γ辐照对Re(Ⅶ)的表观扩散系数的影响不明显。此外,De与εacc的关系可通过Archie定律表述,胶结因子n=1.7~2.4。     

空间核电推进球床反应堆热工水力特性数值分析

球床反应堆的功率密度高、堆芯尺寸小、裂变产物完全包容,在空间核动力系统中具有广泛的应用前景。针对空间核电推进球床反应堆,开发了稳态热工水力分析程序,对堆芯进行了全功率稳态运行工况下的热工水力设计优化及安全特性分析,重点优化冷、热孔板孔隙率以消除堆芯热点。计算结果表明,燃料球中心最高温度距燃料熔点具有873 K的安全裕量,冷孔板孔隙率对堆芯流量分配几乎没有影响,孔隙率峰值比为2.0的热孔板可有效避免堆芯热点,此外增大冷却剂入口压力会减小堆芯的压损。本文结果可为空间核电推进球床反应堆的设计及安全特性分析提供建议与指导。     

Microstructural characterization and pore structure analysis of nuclear graphite

Graphite will be used as a structural and moderator material in next-generation nuclear reactors. While the overall nature of the production of nuclear graphite is well understood, the historic nuclear grades of graphite are no longer available. This paper reports the virgin microstructural characteristics of filler particles and macro-scale porosity in virgin nuclear graphite grades of interest to the Next Generation Nuclear Plant program. Optical microscopy was used to characterize filler particle size and shape as well as the arrangement of shrinkage cracks. Computer aided image analysis was applied to optical images to quantitatively determine the variation of pore structure, area, eccentricity, and orientation within and between grades. The overall porosity ranged between ∼14% and 21%. A few large pores constitute the majority of the overall porosity. The distribution of pore area in all grades was roughly logarithmic in nature. The average pore was best fit by an ellipse with aspect ratio of ∼2. An estimated 0.6-0.9% of observed porosity was attributed to shrinkage cracks in the filler particles. Finally, a preferred orientation of the porosity was observed in all grades.