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。     

我国高放废物地质处置库缓冲-回填材料相互作用研究

处置巷道中的回填材料作为高放废物地质处置库工程屏障系统的重要组成部分,应具备适当的压缩性以限制处置孔中缓冲材料的向上膨胀.基于我国高放废物地质处置概念,结合候选缓冲材料(高庙子膨润土)和回填材料(膨润土-砂混合料)的相关研究成果,开展缓冲-回填材料相互作用研究.通过理论计算分析回填材料密度对缓冲材料膨胀后密度的影响,确...     

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完进展.作者期待国家相关部门能加大经费投入和支特力度,推动我国速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.     

我国和瑞典高放废物地质处置库中缓冲材料性质分析

缓冲材料是高放废物地质处置工程屏障系统的重要组成部分。基于瑞典缓冲材料MX-80膨润土的物理性质,对设计要求的主要参数如渗透系数、膨胀力、材料成分开展分析,并以缓冲材料饱和密度作为长期安全性评价指标分析主要影响因素(外间隙宽度、砌块和小球的干密度),为我国高放废物地质处置库缓冲材料的设计提供参考。     

我国高放废物地质处置库缓冲材料饱和密度影响因素分析

高放废物地质处置通过天然屏障(围岩)与工程屏障组成的多重屏障系统实现对废物的长期包容和隔离。以富含蒙脱石的膨润土为基本组分的缓冲材料构成了工程的一道重要屏障,要求其具有良好的导热性,较低的渗透性、稳定的化学性质、良好的机械性能、较强的吸附核素能力等,要求在处置环境下能长期保持一定的饱和密度。处置库中处置孔、砌块和容器的尺寸、砌块和小球的密度和含水量对缓冲材料的饱和密度具有显著的影响。基于我国内蒙古高庙子膨润土的性质,结合我国高放废物地质处置概念设计和对缓冲材料的设计要求,开展对缓冲材料饱和密度影响因素的分析,为我国高放废物地质处置库缓冲材料的设计提供借鉴。     

我国高放废物地质处置库缓冲材料的设计要求

基于我国高放废物处置概念,结合甘肃北山地质环境条件,针对高放玻璃固化体废物,以内蒙古高庙子膨润土为缓冲材料,提出缓冲材料工程设计参数指标,可为我国高放废物地质处置缓冲材料相关研究提供技术参考.     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

我国高庙子膨润土和日本高放废物地质处置库中缓冲材料物理性质分析

基于日本高放废物地质处置库中缓冲材料的功能、性质要求,系统分析缓冲材料成分和试验研究结果,并结合我国高庙子膨润土的性质,探讨缓冲材料砌块厚度对缓冲材料设计要求的影响,研究成果可为我国高放废物地质处置库缓冲材料的设计提供参考。     

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。     

膨润土作为缓冲材料的研究现状及展望

高放废物处置是一个世界性的难题,对我国核能发展具有重大的意义。膨润土因为其优异的性能被作为理想的缓冲/回填材料。该文从缓冲/回填材料的各项性质方面总结了前人的研究成果,并对未来的研究方向做了展望,提出了今后研究的重点。     

化学作用下压实膨润土膨胀力响应机制研究进展

高放废物深地质处置库建成后,围岩地下水入渗,化学成分随之进入膨润土工程屏障,影响压实膨润土膨胀性能的长期稳定发挥,危及处置库安全。全面回顾了化学作用下压实膨润土膨胀力响应机制研究,总结了化学溶液入渗条件下膨润土水化膨胀力演化特征、微观机理和预测模型等方面最新进展。压实膨润土水化膨胀过程受化学溶液（离子种类、浓度）和膨润土性质（可交换阳离子、压实干密度）耦合作用影响。化学作用下,浓度效应和阳离子交换反应会不同程度地影响蒙脱石晶层间膨胀、层叠体裂解和扩散双电层膨胀3种水化膨胀机制。相比于水化膨胀模型,考虑化学作用的弹塑性本构模型以渗透吸力量化浓度效应,以晶层刚度反应阳离子交换程度,具有更好的适用性和准确性。现阶段的机理和模型研究,均存在很多不足：针对膨润土晶体、层叠体、集合体的特殊结构,微观试验尚不能定量、直观地揭示晶层间膨胀机制与扩散双电层膨胀机制间的转变界限;膨胀力预测模型很难从水化膨胀机理出发,实现由微观到宏观的跨尺度计算,缺乏考虑处置库工程尺度上多场条件与膨润土化-水-力行为间的协同作用。因此,多尺度系统性试验、多场耦合作用理论和多因素协同演化动态模型仍需深入研究。     

高压实高庙子膨润土的热传导性能

作为处置库缓冲/回填材料的压实膨润土,在地下水侵蚀作用下释放胶体,稳定、移动的胶体可能促进放射性核素的迁移,从而威胁处置库的长期安全。在阐述膨润土胶体定义和表征基础上,全面总结了胶体产生试验、机理及稳定性等方面成果。结果表明,膨润土胶体是蒙脱石晶层不断水化、分离自由胶体粒子扩散到水溶液中而产生的,胶体浓度和粒径受黏土特性、地下水动力和化学条件等因素影响显著,胶体稳定性受黏土特性和地下水化学条件、温度影响明显。胶体产生试验装置包括静态和动态两种形式,目前还不能实现实时自动监测。经典DLVO理论未考虑pH对胶体边缘电荷的影响以及多价反离子的效应,应用于蒙脱石黏土胶体产生模型的建立和胶体稳定性预测时存在较大局限性。为此,提出在拓展试验研究、创新理论研究及数值模拟等方面开展进一步研究的建议。

     

高压实膨润土与孔隙溶液化学作用机制研究进展

高压实膨润土作为高放废物深地质处置首选缓冲/回填材料,在处置库近场热-水-力-化多场耦合环境中必然会与孔隙溶液发生化学作用,使蒙脱石溶解甚至相变,导致工程屏障缓冲性能衰减失效。在全面阐述孔隙溶液化学作用对高压实膨润土缓冲性能影响规律的基础上,系统总结了高压实膨润土与孔隙溶液化学作用机制的最新研究成果。分析表明,层状蒙脱石溶解相变为架状矿物是导致膨润土比表面积、相对质量密度、持水性能、膨胀性能、防渗性能等发生衰减的关键因素。孔隙溶液对高压实膨润土的化学作用机制包括矿物化学相变和化学胶结作用。其中,矿物化学相变与孔隙溶液化学组成、pH、温度和活性催化离子有关,可分为同晶相变和溶解重结晶两种机制;化学胶结与膨润土干湿循环产生盐渍沉淀填充和硅铝酸盐胶凝物胶结作用密切相关。膨润土中矿物的溶解速率不仅与自身反应表面积、所受应力和溶解平衡有关,还与孔隙溶液的化学组成、pH、温度和活性催化离子等环境因素密切相关。针对膨润土内的反应体系,进一步明确化学反应参数、胶结作用影响和多场耦合反应模型仍是今后膨润土化学演化需要深入研究的重点方向。     

高压实膨润土与孔隙溶液物理作用机制研究进展

作为高放废物处置库的工程屏障,高压实膨润土在长期服役过程中将受到围岩地下水及其化学成分的渗入作用,膨胀性能不断衰减,最终威胁处置安全。在阐述孔隙溶液对高压实膨润土水化膨胀过程影响规律的基础上,总结了高压实膨润土与孔隙溶液物理作用机制的最新研究成果。结果表明,孔隙溶液对高压实膨润土的物理作用机制包括晶层膨胀、扩散双电层膨胀和吸附作用等3种。其中,孔隙溶液对晶层膨胀的作用与浓度有关,低浓度时表现为促进作用,高浓度时表现为抑制作用,取决于孔隙溶质吸力与临界吸力的差;孔隙溶液对扩散双电层的抑制作用是导致有效孔隙通道扩大、渗透和扩散系数增大的主要原因;pH对膨润土表面活性位点和核素水解的影响是引起吸附特性变化的主要原因,背景离子的竞争吸附作用致使膨润土对核素离子的吸附量显著减少。目前,孔隙溶液作用的参数概化、有效孔隙量化和吸附化学模型的研究仍有不足。因此,进一步优化本构模型中孔隙溶液作用的化学参数,明确不同尺度孔隙的等效量化研究,构建约束条件下压实膨润土多组分竞争吸附模型仍是今后需要深入研究的重点方向。     

基于损伤预测的粘土围岩深地质处置库硐距分析

粘土岩作为我国高放废物深地质处置库建设的预选围岩类型之一,其地下处置库硐距的优化对处置库的设计施工及核素迁移安全具有重大意义。本文基于塔木素粘土岩高放废物深地质处置预选地区天然地应力现场测量及室内岩石力学试验结果,采用弹性力学柯西问题理论分析与有限差分数值模拟相结合的方法,对处置库硐室开挖过程形成的损伤区范围进行预测。通过对比单硐与双硐开挖时不同硐室间距下开挖所形成的损伤区影响范围,来进行处置库硐距的优化,通过对比不同硐距下开挖损伤区的变化,分析当前应力水平下,硐室开挖后重分布应力随与中间岩柱中心点距离的变化趋势。结果表明,d=8~10 m是粘土围岩高放废物处置库的合理的硐距,此时开挖后的相邻硐室间损伤区没有产生明显交圈效应,当硐距大于10 m后,相邻硐室间的影响将逐渐减小,接近单硐开挖情况。该方案可为粘土岩预选区建造高放废物处置库提供参考依据。     

高放废物地质处置野马泉预选场地 地下水同位素分析

 野马泉地区是我国高放废物处置库的重要预选区之一,大面积分布的花岗岩是良好的处置库围岩。为认识研究区的水文地质条件,从水文地质角度评价其作为高放废物处置库场地的适宜性,开展同位素水文地质调查工作。野外调查和氢、氧稳定同位素分析结果表明,研究区浅部和深部地下水均源自大气降水补给,浅部地下水主要由现代和区内降水补给形成,而深部地下水则可能由区域降水补给形成。此外,地下水的氚含量数据表明,浅部地下水系统相对开启,水循环交替能力较强。      

高放废物处置库缓冲材料导热性能研究

 缓冲材料是高放废物深地质处置库中的重要工程屏障,其导热性能参数是高放废物处置系统设计的关键参数之一。利用ISOMET导热仪,研究内蒙古高庙子天然钠基膨润土GMZ01与石英砂和石墨混合材料GMZM不同压实密度和不同含水量样品的导热性能。结果表明,GMZM的导热系数、热容量和热扩散系数随压实密度的增大而显著增大,随着含水量的增大而增大;与GMZ01的导热性能相比,随着压实密度的增大,石英砂和石墨作为添加剂可以明显提高缓冲材料的导热性能和热扩散性能,但对比热没有显著影响。压实干密度大于1.8 g/cm3后,GMZM的导热系数和热扩散系数比GMZ01的导热系数和热扩散系数均提高20%以上。缓冲材料的导热性能与其含水量、干密度、矿物组成和微结构等有关,导热系数随着含水量和干密度的增大而增大,但是导热系数与含水量和压实干密度不具有一致的线性关系。当GMZ01的饱和度大于20%时,不同压实干密度样品的导热系数、比热、热容量、热扩散系数均与饱和度具有线性关系。