高放废物处置库近场裂隙水流-传热-处置室间距相互作用的三维数值分析

为研究高放废物地质处置库近场裂隙水流-传热-处置室间距的相互作用机理,采用3DEC软件计算裂隙水流-传热-处置室间距相互作用对处置库近场温度分布影响。结果表明:(1)在处置室间距相同条件下,流动的裂隙水显著改变了处置库近场温度场,使岩体温度降低,缩短模型达到稳态所需要的时间。(2)处置室间距增大,温度叠加效应减弱,处置库近场温度越低,并且废物罐表面膨润土温度越低,裂隙出水口水温越低,模型达到稳态所需要的时间越短。(3)水平和垂直裂隙水流共同传热使处置库近场裂隙水流下游区域温度显著高于裂隙水流上游区域。(4)处置室间距为6 m和8 m时,水平裂隙出水口水温高于垂直裂隙,处置室间距为10 m时,水平裂隙出水口水温低于垂直裂隙。     

高放废物处置区域尺度岩体适宜性评价研究

岩体适宜性评价是高放废物处置库选址和设计的重要工作内容,以判断场址岩体是否满足处置库长期包容和隔离核素的功能要求。依据我国的高放废物处置概念和场址条件,提出了Q_HLW岩体适宜性评价方法,但目前Q_HLW在场址尺度展开了较为深入的研究,尚未在处置区域尺度、处置巷道及处置坑尺度建立完善系统岩体适宜性评价方法。结合芬兰地下实验室研究和处置库设计经验,建立处置区域尺度岩体适宜性评价准则Q^P_HLW,提出了裂隙带影响、地下水化学条件、岩体渗透特性、岩体强度应力比值以及岩体完整性等评价指标的取值方法,并确定岩体适宜性评价分级标准。随后,利用芬兰高放废物处置ONKALO地下实验室场址数据,测试和验证处置区域尺度岩体适宜性评价准则Q^P_HLW的合理性与可行性。最后以北山地下实验室新场场址为评价对象,开展处置区域尺度岩体适宜性评价,适宜性评价结果表明：新场场址在处置深度400～450 m及550～600 m内岩体完整性高,岩体适宜性程度高,适合布置处置巷道。     

高放废物地质处置库热学分析的参数敏感性研究

应用FLAC3D软件建立高放废物地质处置库热学分析的简化计算模型,选择影响处置库温度场的包括材料热学参数、几何参数以及时间参数在内的16个关键参数,以膨润土内表面峰值温度(该物理量是高放废物地质处置库热学设计计算中作为温度准则的物理量)为参数敏感性分析的目标物理量,通过热学计算开展参数敏感性分析。在参数敏感性分析中,将参数敏感程度划分为高、中、低三等。分析表明:4个参数(膨润土导热系数、膨润土厚度、围岩导热系数、高放废物中间贮存时间)为高敏感度参数,2个参数(散热材料厚度、回填材料厚度)为中度敏感性参数,其它10个参数(高放玻璃固化废物体、外包装容器、散热材料、回填材料的导热系数与比热,以及膨润土与围岩的比热)为低敏感度参数。通过分析可以得到如下结论:在设计高放废物地质处置库时,对膨润土及围岩导热系数的测试应力求准确,对测试结果数据认真分析,确保为设计计算提供合理的输入参数;在确保膨润土满足工艺要求功能的前提下,宜尽量减小膨润土的厚度;按照本文热学分析模型初步估算,我国高放废物至少需要中间贮存20 a以上。     

高放废物处置库甘肃北山预选区综合水文地质研究

在野外水文地质调查基础上,开展了北山地区地下水系统特征、岩体渗透性能、地下水动态、水文地球化学、地下水同位素、地下水CFC以及地下水流场模拟等综合性水文地质研究。依据大量资料的科学分析,综合论述了研究区水文地质条件、地下水循环交替特征、地下水化学特征和动力学特征,并对北山地区作为高放废物处置库场址预选区的适宜性进行了评价。通过这些工作,不仅为我国高放废物地质处置库选址建立了系统的水文地质研究和评价方法,也为在该区筛选最适宜的高放废物处置库场址提供了重要的水文地质依据。     

国际高放废物处置研发工作在花岗岩地区的进展

论述了处置库候选围岩的岩石类型、花岗岩特征,以及一些国家在花岗岩地区开展高放废物处置研发工作的进展情况。经过几十年的工作,国外有些经验值得我们今后工作时参考:1)重视志愿者选址工作。国际上不少国家认为这是地质选址工作的先导,选址工作的成败常与此项工作的进展情况有关;2)近年来,单纯处置高放废物的处置库,已逐渐发展成为多功能处置库,即,它既处置高放废物和乏燃料,同时还处置其他各类核废物;3)由瑞典SKB开发的KBS-3高放废物处置方案和处置工程的设计模式已被不少国家所接受;4)特定场址地下实验室的工程设计完全与处置库的工程设计融为一体,这样既节省工程成本,又提高处置库工程设计的可靠性;5)花岗岩具有良好的岩石力学性能,这对处置库工程结构的长期稳定性和安全处置核废物提供有效的物理保障和良好的物理隔绝性能。但在选址时要特别注意场址的区域地壳稳定性、岩体的处置容量和埋藏深度,以及处置地段的构造发育程度和岩石的含水性;6)处置后废物的回取。     

对我国高放废物处置研发工作的几点建议

论述了高放废物处置库与一般地下工程设施的区别,以及处置库场址的选址工作与低中放废物处置场和核电站场址的选址工作异同点。强调要高度重视高放废物处置的安全性,这是由于高放废物毒性大、半衰期长、安全处置期长;由于处置库堆放的废物总比活度大,且高放废物处置在地下深处,因而,如果一旦处置库系统遭受破坏,就难以进行人工干预。笔者认为,在区域预选和地区(地段)预选阶段,查明场址区域地壳稳定性问题是其首要任务。文章就处置方案等若干问题进行了讨论。     

Aospoe地下实验室在瑞典高放废物深部处置库计划中的作用

瑞典核电站的乏燃料将在500m深的基岩坑道系统之中进行处置。瑞典政府于1984年原则上接受了代号为KBS一3的处置方案，其基本设想是将乏燃料包容在多重屏障之中，利用这些屏障在甚长时间内把乏燃料与环境隔离。在置于深部处置库之前，乏燃料组件被包容于带有钢质内衬的圆柱形铜罐之中。在处置坑道的底板上开挖一些专门的处置孔用于放置废物罐，而在每个废物罐周围放置压实的膨润土。深部处置库将分阶段建造。预计2008年将建成处置库的首期工程，其容量约为乏燃料总数的5％～10％。当所有乏燃料放置完毕后，处置库的所有巷道将用膨润土和砂回填、封闭。     

HLW竖直处置热分析

处置库中废物罐表面的最高温度不能超过100℃,这个标准决定着处置库的热库容。废物罐处置时剩余衰变热量、工程屏障系统材料的热特性、间隙的存在、处置主岩的初始温度及其热特性、处置库的布局等都是影响处置库中废物罐表面温度的因素。文章对处置主岩和工程屏障系统材料的热物理特性进行了分析和研究,对工程屏障系统不同间隙的热传导特性进行了研究,应用解析法和数值法对单个废物罐周边的温度发展进行了热传导特性研究。研究表明,最重要和最敏感的参数是废物罐的初始处置剩余衰变热量;而主岩和工程屏障系统材料参数的不确定性及其自然变化性和工程屏障系统废物罐周边间隙是影响废物罐表面最高温度的两个最主要的因素;工程屏障系统内部间隙的温度偏差小于10℃,内部间隙越大,温度偏差越大,外部间隙在被水充填时的温度偏差比间隙被空气充填时的温度偏差要小1～3℃。     

中国高放废物地质处置研究进展:1985～2004

如何安全处置高放废物是核工业可持续发展面临的挑战性问题。我国的高放废物深地质处置研究从1985年开始，提出的计划目标是：于21世纪中叶建成我国高放废物地质处置库，处置的对象是玻璃固化块、超铀废物和部分乏燃料，处置库为竖井一坑道型，候选围岩为花岗岩，位于饱和带中。在1985～2004的20a中，我国高放废物地质处置研究取得了进展，已确定我国高放废物最终处置走“深地质处置”，并且是“三步曲”式的技术路线，即处置库选址和场址评价一地下实验室一处置库。经过全国筛选对比，已初步选定甘肃北山地区为重点预选区，该区地处戈壁，地壳结构完整，地壳稳定，人烟稀少，地质条件和水文地质条件均有利。20世纪90年代初期，开展了地下实验室的选址工作，初步选择了北京郊区2处地点为我国高放废物地质处置“普通地下实验室”的场址。已确定使用膨润土作为处置库的回填材料，并初步确定内蒙古高庙子膨润土为我国高放废物处置库的首选缓冲回填材料。对膨润土的矿物学、岩土力学、物理力学性质和热学性质进行了研究。已获得一批放射性核素(主要是Np、Pu、Tc)在北山花岗岩和膨润土上的吸附分配比、扩散系数和弥散系数等参数，建立了低氧手套箱和模拟处置库温度、压力和氧化一还原条件的小型实验装置。高放废物中的关键核素的化学行为研究也取得进展。花岗岩接触带核素迁移、铀矿床中超铀元素迁移、青铜器腐蚀等天然类比研究取得了成果。还开展了高放废物地质处置系统总性能评价源项和生物圈模式的调研。概念设计研究仅在20世纪90年代初开展了部分研究。从1999年开始，与国际原子能机构开展了2期高放废物地质处置技术合作项目，极大地提高了我们的技术水平。20a的科研工作为我国在21世纪完成高放废物地质处置奠定了一定基础。     

花岗岩裂隙水推荐配方可行性研究

配制接近实际且长期稳定的花岗岩裂隙水是进行高放废物处置科学研究不可缺少的。按核二院提供的推荐配方配制了模拟花岗岩裂隙水，经近两年的考察，除微量阳离子组分外。其它各组分及各项综合指标保持基本稳定；可作为有价态变化核素迁移之外的高放废物处置科研试验用水。只加入常量组分配制的模拟水样各组分及指标均保持稳定，可用于回填材料特性及热力学研究。在有氧条件下，保存容器、密封性及温度对模拟水样无影响。     

高放玻璃多重屏障介质多因素耦合处置方法研究

地下水透过多重屏障介质与高放玻璃固化体直接接触后,放射性核素会从固化体中释放,因此成为高放废物处置库安全评价的源项。为更精确地预测玻璃固化体长期处置行为,本文考察了围岩、回填材料等因素对模拟高放玻璃固化体中各关键元素浸出的影响,实验处置温度为90 ℃,模拟高放玻璃固化体依据德国配方制备。结果表明,围岩对玻璃体中不同元素的阻滞作用有所差异。B、Re和U的浸出浓度在二长花岗岩中最大;膨润土含水量高时,玻璃体中元素释出量大;而含水量低时,释出量小;在膨润土中添加5%的素玻璃粉,对玻璃的腐蚀有抑制作用。     

The Swedish nuclear waste program and the long-term corrosion behaviour of copper

The principal strategy for high-level radioactive waste disposal in Sweden is to enclose the spent fuel in tightly sealed copper canisters that are embedded in bentonite clay about 500 m down in the Swedish bedrock. Besides rock movements, the biggest threat to the canister in the repository is corrosion. ‘Nature’ has proven that copper can last many million of years under proper conditions, bentonite clay has existed for many million years, and the Fennoscandia bedrock shield is stable. The groundwater may not stay the very same over very long periods considering glaciations, but this will not have dramatic consequences for the canister performance. While nature has shown the way, research refines and verifies. The most important task from a corrosion perspective is to ascertain a proper near-field environment. The background and status of the Swedish nuclear waste program are presented together with information about the long-term corrosion behaviour of copper with focus on the oxic period.     

Thermal aspects of radioactive waste burial in hard rock

One of the possible methods that has been considered for the disposal of radioactive waste is deep burial in stable rock formations. This paper reviews recent work on modelling the way in which the heat emitted by the decaying radionuclides in the waste could affect this disposal option, emphasizing both the effects on depository design and on migration by flowing groundwater. It focuses particularly on research in the U.K. into the feasibility of burying high-level waste in fractured crystalline rock. After introductory sections on the characteristics of the waste and rock, there are three major sections on the temperature field in the surrounding rock, the stresses generated in the rock, and the groundwater flow.     

Three-dimensional thermal analysis of in-floor type nuclear waste repository for a ceramic waste form

A thermal model is constructed and analyses are performed for an ‘in-floor’ type nuclear waste repository in granitic rock for a high level nuclear waste (HLW)-bearing ceramic waste form (synroc). Transient calculations for a three-dimensional (3-D) model have been carried out for both 20 and 10 wt.% HLW-bearing synroc, for surface cooling periods between reactor discharge and geological disposal varying from 5 to 40 years. This study investigates the temperature distribution in one of the boreholes of a hypothetical tunnel for a basic geometrical setting as well as the effect of varying the distance between adjacent boreholes and the distance between adjacent tunnels. The temperatures in the repository were found to be sensitive to the interim surface cooling period as well as the amount of waste loaded. The results showed that decreasing the spacing between the canisters has a more pronounced effect on the temperature field than decreasing the spacing between the tunnels.     

应用随机模拟理论计算低、中放固体废物处置场核素迁移

为了计算低、中放固体废物处置场关闭后,放射性核素在孔隙介质中迁移行为以及对公众造成的照射,应用随机数学理论,将处置场岩土体孔隙-裂隙双重介质视为一个随机场,依据流体渗流力学理论基础形成的二维定向渗流理论,建立了反映放射性核素在处置场岩土体中迁移规律的数学模型。结合计算技术,进一步建立可对放射性核素在处置场岩土体中迁移规律进行仿真分析的系统,并可以用于放射性核素在处置场岩土体中迁移规律模拟研究与预测分析,以及对公众所致辐射剂量计算。通过算例重复仿真实验分析,最后进行统计平均得出放射性核素在处置场岩土体中迁移的规律性认识,验证了所建模型是可行的、有效的。     

Modelling the effect of diffusion into the rock matrix on radionuclide migration

Diffusion into the rock matrix is potentially an important retardation mechanism for nuclides leached from an underground radioactive waste repository in a fractured hard rock. Models of this diffusion process are discussed and incorporated into three-dimensional radionuclide migration models. Simple solutions to these models are derived for two regions: the region near to the repository where the nuclide is diffusing into effectively infinite rock, and that much further downstream where the concentrations in the rock and fractures are almost in equilibrium. These solutions are used to evaluate the possible impact of migration. It is shown that retardation factors in excess of 100 and reductions in the peak concentration at a given point on the flow path by three or four orders of magnitude are possible for non-sorbed ions, which would otherwise be carried by the flow and not retarded at all.     

开挖损伤区(EDZ)对核素迁移的影响

随着核电的发展,核电站产生的乏燃料处理处置受到了大众的高度关注.通过对嬗变法、稀释法和隔离法等方法的综合对比,目前,高放废物深地质处置是国内外公认处理核废物的最佳办法.在处置库建造阶段,由于开挖使得围岩中应力重新分布,围岩发生扰动,岩体内部原生裂隙出现扩展、连通,产生新生的微裂隙,岩体的渗透系数变大,这种区域即为开挖损...     

非饱和水通过双层孔隙介质渗流的定量实验

非饱和水通过双层孔隙介质的渗流对于放射性废物近地表处置库的顶盖设计具有重要意义。本文主要介绍非饱和水通过以黄土（细颗粒）和石英砂（粗颗粒）组成的双层孔隙介质渗流定量实验的装置、方法及其结果。从实验结果可见：黄土中的非饱和水在下渗过程中遇到石英砂层时，即使石英砂层很薄，且粒度很小，下渗水也发生绕流现象；相对绕流量的大小随水的喷淋强度的增大而减小，随石英砂层厚度的增加而增加。另外，实验发现，相当部分的绕流水是紧石英砂层的下表面运动的。由实验结果推断，在石英砂粒径0.2-0.45mm、埋深20cm情况下，不起绕流作用的石英砂层厚度≤1mm；对于≥2mm厚的石英砂层，相对绕流量达100％的喷淋强度需低于5mm/d。     

Calculation of media temperatures for nuclear sources in geologic depositories by a finite-length line source superposition model (FLLSSM)

A linearized transient thermal conduction model was developed to economically determine media temperatures in geologic repositories for nuclear wastes. Individual canisters containing either high-level waste or spent fuel assemblies are represented as finite-length line sources in a continuous medium. The combined effects of multiple canisters in a representative storage pattern can be established in the medium at selected point of interest by superposition of the temperature rises calculated for each canister.A mathematical solution of the calculation for each separate source is given in this article, permitting a slow hand calculation. The full report, ONWI-94, contains the details of the computer code FLLSSM and its use, yielding the total solution in one computer output.