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。     

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。     

大气条件下高庙子钠基膨润土化学缓冲特性研究

深地质处置目前被国际上公认为是处置高放废物的最有效可行的方法。我国采用多重工程屏障系统和适宜的地质体共同作用来确保与生物圈的安全隔离。缓冲材料是高放废物重要的工程屏障材料之一,我国选用高庙子钠基膨润土作为缓冲材料的基础材料。膨润土作为缓冲材料的一个重要性能表现为缓冲孔隙水的化学变化。介绍了GMZ-1钠基膨润土大气条件下与蒸馏水的反应试验,并对试验结果进行了讨论。批式试验反应溶液中钠离子来源于钠基膨润土层间阳离子和矿物溶解,镁离子来源于钠基膨润土层间阳离子,钾离子和钙离子来源于矿物溶解,相关研究认识对于高放废物处置库近场核素迁移研究和评价工程屏障的长期稳定性具有重要意义。     

中国高放废物处置库缓冲材料选择与基本性能

人类的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物。其中高放废物由于具有放射性水平高,发热量大,并含有对生物极有害的α放射性的长寿命核素等特点,其安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视。目前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。借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的地质围岩地质体共同作用来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国膨润土矿床筛选,高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自该矿床的深部钠基膨润土作为基本组成材料。本文介绍了高庙子膨润土矿床的地质特征以及高庙子钠基膨润土的基本特征。该膨润土与国外同类型材料相比具有蒙脱石含量高(75%左右),杂质矿物相对较少的特点,这对系统和深入研究该材料以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具有重要意义。     

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。     

缓冲/回填材料-压实高庙子钠基膨润土的胀缩性试验研究

选用内蒙古高庙子钠基膨润土压实试样进行了室内膨胀力、膨胀变形以及收缩变形的实验.结果表明:高庙子膨润土具有高膨胀、低收缩的良好特性.试样的膨胀力随时间呈渐近线趋势增长,随含水量呈线性增长,随干密度呈指数增长;膨胀变形受初始干密度影响较大,收缩变形受初始含水量的影响较大;在高水分和干密度态下,试样膨胀力为0.85 ～ 4.64 MPa,无荷膨胀率为24.4％ ～40.8％,收缩系数为0.19 ～0.50.     

U(Ⅵ)在缓冲回填材料高庙子膨润土胶体上的吸附

甘肃北山地区是目前我国高放废物地质处置库的重点预选场址,内蒙古高庙子膨润土为首选缓冲回填材料。在处置库安全评价中需要考虑可能存在的地下水侵蚀形成膨润土胶体负载核素迁移的情况。以产自内蒙古自治区兴和县高庙子矿区Ⅲ号矿层的膨润土为原料提取膨润土胶体,研究其稳定性,通过批式吸附实验研究了溶液pH、背景电解质浓度等对U(Ⅵ)在高庙子膨润土胶体上吸附的影响。结果表明:酸性条件下,高庙子膨润土胶体对U(Ⅵ)的吸附随pH上升而增强,吸附分配系数在pH≈7时达到峰值;碱性条件下,胶体对U(Ⅵ)的吸附则随pH上升而减弱;在本研究所选取范围内,背景电解质NaClO₄浓度对U(Ⅵ)在高庙子膨润土胶体上的吸附影响不大。     

缓冲/回填材料——内蒙古高庙子膨润土性能研究

研究按缓冲回填材料的性能要求,对内蒙古高庙子膨润土的物质组成与结构、物理化学性质、水理性质等进行了系统研究;对添加剂改善膨润土的压实性能进行了探索性实验研究。结果表明,高庙子钠基膨润土以蒙脱石为主要矿物成分,具有良好的吸附性、膨胀性、阳离子交换性和热稳定性;石英砂添加剂可以有效地改善膨润土的压实性能;进一步论证了内蒙古高庙子膨润土矿床可以作为我国高放废物地质处置库缓冲/回填材料的供给基地。     

碱性溶液对高庙子膨润土缓冲性能的影响

膨润土是高放废物地质处置库中重要的缓冲屏障。但在处置库运营过程中,地下水溶蚀衬砌混凝土产生的强碱性溶液会扩散进入膨润土缓冲屏障,使屏障性能发生退化。本研究设计了专门的接触扩散装置,模拟研究碱溶液在压实高庙子膨润土试样内的扩散过程及对膨润土矿物和微观结构的影响。试验发现随着反应时间增长,膨润土的缓冲能力会下降。膨润土中主要矿物蒙脱石的溶解与碱溶液pH值、温度、时间成正相关关系。相同pH值的KOH和NaOH溶液对膨润土具有相似的影响,从微观结构试验观察到蒙脱石的溶解使膨润土完整性丧失,产生大量的裂隙进而加速溶蚀进程。同时,与KOH溶液反应后观察到新生成的伊利石微晶,表明蒙脱石的溶解和相变是直接导致膨润土缓冲性能退化的主要原因。     

集成缓冲材料对锶的长期阻滞效应

缓冲材料作为高放废物处置库中多重屏障体系的最后一道人工屏障,其对放射性核素的阻滞性能将直接影响到处置库的长期稳定性和安全性。以具有低渗透性和良好的膨胀自愈性的膨润土作为集成缓冲材料的基材,以沸石和黄铁矿作为矿物添加剂,三者按照质量比为63∶27∶10均匀混合构成集成缓冲材料B7ZP,并采用恒定源扩散实验分析了锶在干密度为1.70g/cm~3试样中的扩散特性,结果表明,B7ZP缓冲材料对锶具有良好的阻滞性能,其表观扩散系数为3.30×10~(-12) m~2/s。同时,以多孔介质污染物迁移理论为依据,建立了锶在集成缓冲材料B7ZP中迁移的对流-弥散-吸附多场耦合方程,并应用Matlab软件分析了不同的时间尺度、渗流速率、表观扩散系数和阻滞因子等因素下集成缓冲材料B7ZP对锶的长期阻滞性能,为高放废物处置库的缓冲材料设计和长期阻滞性能评价提供科学依据。     

膨润土-砂混合物缓冲层轴向热传导性研究

膨润土-砂混合物作为高放废物处置库缓冲材料,在高放废物衰变释热作用下,其物理力学性能对处置库的稳定和安全性具有重要影响。本研究采用自行设计的装置,对按比例缩小后的不同干密度、含水率、掺砂率试样进行热传导模拟试验,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、应力和应变的变化及分布情况,重点分析了温度的影响。结果表明,增大试样干密度、含水率和掺砂率均可提高其导热性,应变也随之增大,应力受温度影响较早达到平衡;缓冲层靠近热源的位置温度、应力和应变最大,沿轴向方向递减,初始时刻变化明显。     

Recent activities in the field of nuclear waste management

Buffer construction using bentonite pellets as filling material is a promising technology for enhancing the ease of repository operation. In this study, a test of such technology was conducted in a full-scale simulated disposal drift, using a filling system which utilizes a screw conveyor system. The simulated drift, which contained two dummy overpacks, was configured as a half-cross-section model with a height of 2.22m and a length of 6.0 m. The average dry density of the buffer obtained in the test was 1.29 Mg/m³, with an angle of repose of 35 to 40 degrees. These test results indicate that buffer construction using a screw conveyor system for pellet emplacement in a waste disposal drift is a promising technology for repositories for high level radioactive wastes.     

模拟放射性含氟废液水泥固化配方的研究

本文以沸石、硅灰、石英砂为添加剂,按照质量比m（沸石）∶m(硅灰)∶m（石英砂）∶m（水泥）=1∶1∶3∶10配方对模拟放射性含氟废液进行水泥固化。由配方得到的水泥浆流动度和初、终凝时间满足桶内固化要求。测定了水泥固化体28 d的抗压强度、抗浸泡性和抗冻融性实验后的强度损失,进行了抗冲击性能测试和模拟核素浸出实验。结果表明,该配方可有效地固化模拟放射性含氟废液,固化体28 d抗压强度、各项实验强度损失和模拟核素浸出率均满足GB 14569.1-2011的要求。水泥固化体的F^-浸出率很低,XRD显示F^-以CaF₂形式存在。废液中F^-质量分数控制在1%较为合适,此时水泥固化体终凝时间为14 h,F^-的42 d浸出率为2.54×10^-3 cm/d。     

搅拌参数对放射性废液水泥固化体性能的影响

目前,国内核电站或核设施产生的中低放废液都采用水泥固化进行处理,水泥浆及水泥固化体性能是水泥固化技术重点研究内容。本文采用普通硅酸盐水泥固化中低放废液模拟料液,研究不同液灰比条件下,搅拌时间和搅拌速度对水泥浆流动度和固化体28 d抗压强度、孔结构、显微结构和抗浸出性能的影响。结果表明：在相同液灰比下,随着搅拌时间的延长（10～50 min）,水泥浆的流动度和固化体抗压强度呈现先增大后减小的趋势,而固化体的孔隙率和Sr²⁺浸出率随搅拌时间的延长呈递减的趋势,搅拌50 min的固化体的结构较搅拌10 min的固化体致密;用较大搅拌速度制备的固化体的抗压强度较高,且在搅拌30 min内,提高搅拌速度可提高浆料的流动度;然而长时间用较大速度搅拌制备的固化体的孔隙率较高,同时核素浸出率也较大。由于固化工艺过程中搅拌速度和搅拌时间会影响水泥浆的流动性和固化体性能,因此在水泥固化装置投入使用前,应通过大量实验来确定满足工艺要求且满足固化体性能的最佳搅拌参数。     

模拟放射性含硼废液的水泥固化研究

为了比较硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥含硼废液的固化,为配方优化提供依据,研究采用两种配方对模拟放射性含硼废液进行水泥固化。测定了固化体28d抗压强度、抗浸泡性、抗冻融性和耐γ辐照试验后的强度损失,进行了模拟核素浸出试验,并对固化体水化产物进行XRD分析。结果表明,两种配方可有效固化模拟含硼废液,固化体28d抗压强度、各项试验强度损失和模拟核素浸出率均满足GB14569.1—93的要求,试验所用的硫铝酸盐水泥配方对Cs＋的滞留能力优于普通硅酸盐水泥配方,固化体中的硼以B(OH)4－形式固溶在钙矾石中。     

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。     

核电厂废物固化体90Sr、137Cs、60Co的浸出行为研究

以去离子水为释放环境,研究核电厂废树脂和浓缩液水泥固化体被完全浸泡情景下核素⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、⁶⁰Co的浸出行为。分析中以有效扩散系数表征浸出行为。试验结果表明：固化体中的核素累积浸出份额不超过4%,¹³⁷Cs浸出最快,⁹⁰Sr其次,⁶⁰Co最慢;同类废物体的抗压强度越大,核素浸出速率越慢。     

二次自蔓延高温合成钙钛矿固化90Sr

采用二次自蔓延高温合成(SHS)技术制备钙钛矿固化高放废物90Sr,通过XRD, SEM和PCT粉末浸泡法,研究了钙钛矿固化体的微观组织、浸出率以及其对高放废物~(90)Sr的最大包容量.结果表明,固化体样品密度高、孔隙率小,浸出率都小于0.1 g/(m~2·d),对SrO的包容量可达36%(质量分数);表明自蔓延高温合成的钙钛矿人造岩石固化体化学稳定性好、包容量大,是固化高放废物的理想固化体.     

Characterising polyurethane foam as impact absorber in transport packages

Abstract

Transport and storage packages used for the safe transport of radioactive materials are required to satisfy IAEA regulations. One key design requirement for a radioactive material transport package is that under a 9 m regulatory drop test, containment functions are maintained. For certain payload types, such as fuel assemblies, impact loads on the payloads may need to be controlled in order to maintain spacing and confinement. To achieve all of this, detailed and accurate characterisation of the impact absorbing material is important in order to design an effective shock absorber. Polyurethane foam is an excellent energy absorbing material because it has a relatively high specific strength, a large compressive deformation, much of this at constant force, and a predictable compressive strength characteristic. Traditionally various types of wood have been used for this purpose, however foams are a more cost effective alternative, which are readily available, and can be formed and shaped easily. Some grades may have the added advantage of providing an almost isotropic crush response, combined with significant thermal protection. The general compressive strength properties of foams and their temperature dependencies are well documented by manufacturers; however, strain rate sensitivity and stiffness variation with orientation are not readily available. Hence impact compression tests for polyurethane foams for a range of densities from 56 to 320 kg m^–3 were specified by Rolls-Royce and performed by the Health and Safety Laboratory. These tests included dynamic conditions for a range of strain rates and temperatures and a selection of orientations of the foam. Following collation of the test results, property curves were derived for the range of temperatures at which the package was expected to operate in service between –10 and +75°C. The properties for a given specification of foam will vary within a defined tolerance range, mainly due to the variables inherent during manufacture. Hence nominal static curves were derived for each foam and a number of factors were taken into account to derive the full range of foam properties: density, compressive strength, temperature and manufacturer supplied tolerance. The net result of this work was a series of force displacement plots, depicting upper and lower bounds to account for the cumulative effects of many variables. Accounting for these upper and lower performance bounds is an essential approach in justification of any modern package design. This paper describes the characterisation and mathematical modelling of polyurethane foam for use as the main impact energy absorber in a new design of package for transporting fresh fuel. The non-linear finite element (FE) code LS-DYNA was used to carry out simulation of the tests. The HONEYCOMB material model available in LS-DYNA was used to accurately predict the test measurements of the foam material. The properties derived for the foam were then used as input to the full FE model used for the licensing of the new package design. Full scale drop testing of the package demonstrated good correlation of deformations between test and FE model analysis, providing good validation evidence of the foam characterisation in the transport package.     

近场核素释放率对缓冲材料参数的敏感性研究

缓冲材料对高水平放射性废物(高放废物)地质处置库的安全至关重要。本文在处置库关闭后预期演变情景分析的基础上,运用蒙特卡罗随机模拟方法,对缓冲层厚度、缓冲材料密度、核素在缓冲材料中的分配系数这三个参数进行敏感性分析。结果表明,处置库关闭后1 000 a内,近场核素释放率对缓冲层厚度较敏感,超过1 000 a 后敏感性较低;近场核素释放率对缓冲材料密度不敏感;核素在缓冲材料中的分配系数不断提升的情况下,对应的参数敏感度也逐渐加大。上述敏感性分析结果可为缓冲材料工程设计提供参考。