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。     

高放废物工程屏障的热-水-力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热-水-力耦合作用分析的综合模型，分析考虑多孔介质的三相（固，液，气）和三类（矿物，水分，空气）模型，该模型是根据控制方程，本构关系和平衡条件来建立的，并提出用于模拟高放废物地下处置体系和附近场地性状的热-水-力耦合分析通过程序。热-水-力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去，通过试验结果的验证，得出一些关于热-水-力方面的重要结论。     

DECOVALEX_IV TASK_D项目的热-水-力耦合过程的数值模拟

核废料地下处置系统研究的国际合作项目DECOVALEX(development of coupled models and their validation against experiments) 致力于高放射性核废料地质处置系统围岩中多个物理场的耦合过程研究和工程屏障的可行性评估.中国研究小组第一次参加DECOVALEX计划.介绍了其子课题Task_D的情况和阶段性研究结果,包括2种处置方式--瑞士FEBEX和美国Yucca Mountain类型的1×104 a以上的预测模拟及其比较分析.建立一套复杂的非饱和多孔介质中热液力(THM)耦合过程的非等温流动和形变控制方程,涉及到固、液、气三相和四种组分(固体骨架,水,干空气和水蒸汽).其表现为相对独立同时又相互交叠的4类模型(1) 考虑有效应力、热膨胀应力和膨润土的水膨胀应力变形模型;(2) 考虑水与蒸汽在蒸发凝结时物质交换的流动模型;(3) 包含蒸汽/干空气相对运动的蒸汽分子扩散和对流模型;(4) 三相局部非等温过程的热交换模型.在此基础上根据Task_D的设定要求简化为较为实用的方程,并发展了相应的程序对1×106 a THM耦合行为进行了预测模拟,其结果在2005年2月Task_D讨论会和DECOVALEX工作会议与多个国家相互独立的研究结果进行对比,吻合程度很高,这给模型的建立和程序发展都带来了信心.     

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。     

OPHELIE回填混合物的热-水-力耦合特征

在以比利时高放废物处置参考设计方案的OPHELIE地面大型试验的框架为背景下，进行了一套完整的固结试验项目以获取回填材料的热-水-力反应特征。缓冲材料是预先经高压压实的土块，其主要成分为60%的FoCa泥岩，35%的砂以及5%的石墨（干燥重量），除了对温度和吸力控制设备的简要描述之外，还将阐述有代表性的试验结果，包括持水特性，不同应力，不同吸力，不同温度下的压缩性，膨胀性能，以及在吸湿，吸热条件下的塌陷现象。     

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。     

高放废物工程屏障的热–水–力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热–水–力耦合作用分析的综合模型。分析考虑多孔介质的三相(固、液、气)和三类(矿物、水分、空气)模型，该模型是根据控制方程、本构关系和平衡条件来建立的；并提出用于模拟高放废物地下处置体系附近场地性状的热–水–力耦合分析通用程序。热–水–力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去。通过试验结果的验证，得出一些关于热–水–力方面的重要结论。     

DECOVALEX_IV TASK_D项目的热–水–力耦合过程的数值模拟

核废料地下处置系统研究的国际合作项目DECOVALEX(development of coupled models and their validation against experiments) 致力于高放射性核废料地质处置系统围岩中多个物理场的耦合过程研究和工程屏障的可行性评估。中国研究小组第一次参加DECOVALEX计划。介绍了其子课题Task_D的情况和阶段性研究结果，包括2种处置方式——瑞士FEBEX和美国Yucca Mountain类型的1×104 a以上的预测模拟及其比较分析。建立一套复杂的非饱和多孔介质中热液力(THM)耦合过程的非等温流动和形变控制方程，涉及到固、液、气三相和四种组分(固体骨架，水，干空气和水蒸汽)。其表现为相对独立同时又相互交叠的4类模型：(1) 考虑有效应力、热膨胀应力和膨润土的水膨胀应力变形模型；(2) 考虑水与蒸汽在蒸发凝结时物质交换的流动模型；(3) 包含蒸汽/干空气相对运动的蒸汽分子扩散和对流模型；(4) 三相局部非等温过程的热交换模型。在此基础上根据Task_D的设定要求简化为较为实用的方程，并发展了相应的程序对1×106 a THM耦合行为进行了预测模拟，其结果在2005年2月Task_D讨论会和DECOVALEX工作会议与多个国家相互独立的研究结果进行对比，吻合程度很高，这给模型的建立和程序发展都带来了信心。     

法国ANDRA放射性废物地质处置可行性研究综述

介绍15a来法国国家放射性废物管理局（ANDRA）为研究地下处置放射性废物而开展的主要研究成果，实验室试验、现场试验和数值模拟结果均表明：ANDRA所研究的在法国东部埋深500m、厚达130m的泥岩岩层具备永久处置核废料的地质条件，从地质和学角度上介绍该泥岩岩层一些主要特征，并对ANDRA提出的地质处置总体设计方案和不同类型废物处置单元进行系统论述。     

高放废物处置库的工程设计

 高放废物处置库是一项特殊的岩石地下工程。与一般地下岩石工程相比,处置库具有许多特点,相应的处置库的设计也有别于一般地下岩石工程。总结高放处置库的若干特点,简要介绍瑞典D1阶段处置库地下岩石工程设计的主要内容,设计过程与设计时考虑的因素,初步讨论处置库的功能目标与设计年限、概念设计、总体要求、温度限制、不同围岩中处置库的主要问题、可回取的处置库设计及处置库的建设成本等问题。     

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。      

甘肃北山旧井地段高放废物处置库深度初步探讨

 在对高放废物地下深地质处置库深度确定基本要求的概述基础上，结合甘肃北山旧井地段的地质特征、水文地质特征、岩石力学特征、地应力场特征等方面的情况，分析初始地应力场和二次开挖地应力，对开挖稳定性和发生岩爆的可能性进行计算和预测。研究结果表明，研究区岩体较完整，深度大于400 m时地下水补给匮乏且为还原环境，岩石单轴抗压强度较高，总体质量较好；深度小于700 m地应力为一般应力场，二次开挖稳定性分析和岩爆分析结果表明在此范围内岩爆发生的可能性不大，依据处置库深度确定的基本要求，初步认为旧井地段处置库的设计深度和地下工程布局应在400～700 m范围内进行。     

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。     

高放废物地质处置北山预选区新场地段地质特征

 介绍我国高放废物地质处置北山预选区新场地段的地质特征以及我国选址工作的最新进展——岩块筛选。以美国TM卫星照片解译和野外地质勘查为主要手段,研究新场地段花岗岩类和断裂构造的时空分布特征。按岩石谱系单位的划分原则和方法,建立3个花岗岩类超单元和3个独立单元;识别出40条断裂,并对其规模、产状、力学性质和破碎程度等特征进行调查。以此为基础,先参照国外处置库选址经验,筛选出2个相对完整并具有一定规模的岩块,即新场岩块和芨芨槽岩块;然后以高精度卫星照片(美国Quick Bird)和地表工程揭露为手段,对所选岩块的边界断裂、内部断裂进行调查;对岩块地表837个露头的节理进行测量和统计分析(节理优势组、平均间距和平均迹长等)。研究结果表明,新场和芨芨槽岩块均比较完整,可作为处置库的候选岩块进入钻孔研究阶段。实践证明,岩块筛选可为岩块的钻孔研究提供更详细的基础地质资料,在处置库的选址过程中起到事半功倍的作用。     

高放废物地质处置中巷道回填和密封方法研究

地质处置是目前国际公认的安全可靠、切实可行的高放射性水平废物处置方式。地质处置通过天然屏障和工程屏障构成的多重屏障系统实现对放射性核素的包容、阻滞。对于处置完废物的巷道进行回填和密封是构成工程屏障的重要组成部分。通过调研并总结国际上地质处置技术先进国家(瑞典、芬兰和法国)的巷道回填密封材料选择和施工工艺,结合我国高放废物地质处置预选场址的围岩条件,提出了我国地质处置巷道回填材料选择、回填和密封方法的初步设想以及未来相关研究的方向。     

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。