高放废物处置库缓冲材料组合砌块热—水—力耦合作用过程研究

发布时间：2020-07-30 03:09

【摘要】：缓冲材料是高放废物处置库工程屏障的一部分,一般以不同形式组合的砌块置于核废物罐和围岩之间,用于阻滞放射性核素向外迁移。在高放废物处置库内,膨润土砌块会受到复杂的热—水—力(THM)的耦合作用,要有效评估膨润土砌块的阻滞能力,需要对这种耦合作用进行研究。本文基于多孔介质多场耦合理论,采用有限元数值模拟方法,对膨润土砌块平面单环和双环组合形式的THM耦合作用过程进行了模拟和分析。本文主要的研究内容和完成的工作如下:(1)考虑相变、溶解、温度驱动、流体传输和湿化膨胀等物理现象,对基于混合物理论、连续介质理论和普遍的守恒原理建立的多孔介质THM耦合数学模型进行了整理,其中对描述液体中空气溶解的控制方程进行了重新推导,所得到的控制方程组可用于分析缓冲材料的THM耦合现象。(2)对多物理场有限元软件COMSOL中的PDE数学模块进行二次开发,将所推导的缓冲材料THM耦合控制方程组和耦合参数进行输入和定义,建立了适用于分析缓冲材料THM耦合问题的数值方法。(3)采用我国高庙子(GMZ)膨润土相关的物理、力学、热力学、水力学等参数和本构模型,对我国大型缓冲材料THM耦合室内台架试验(China-Mock-Up)的试验过程进行了为期600天的数值模拟,获得了温度场、渗流场和应力场的变化规律,通过数值模拟结果与测得的温度、相对湿度和膨胀力等试验结果进行对比分析,验证了该数值模拟方法的可行性。(4)基于我国高放废物处置库的概念设计并参考国外资料,提出了适于我国现有制造水平的平面单环3砌块和双环6砌块组合形式的缓冲材料模型:开展了缓冲材料为期10年的THM耦合作用过程的数值模拟,得到了砌块径向和环向接缝存在条件下缓冲材料温度场、渗流场和位移场的分布及演化规律,同时还揭示了砌块径向和环向接缝的封闭愈合规律。本文研究成果不仅有助于了解不同砌块组合形式缓冲材料的THM耦合作用过程,为研究缓冲材料的长期性能提供数值模拟方法,而且对我国高放废物处置库缓冲材料的设计具有指导意义。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU522.3
【图文】：

几何形状,砌块,安装过程,膨润土

土）几何形状与尺寸的设计，他们利用巨型３万吨压力机将膨润土粉末压制成直逡逑径近２ｍ、厚度０．４ｍ、干密度１．７ｇ／ｃｍ３重达数吨的单块环形高压实膨润土砌块，研逡逑制了特种工程机械负责在处置库巷道内运输和吊装该巨型砌块［１］，如图１－２所示。逡逑＿}0逡逑（ａ）运输和安装机械逦（ｂ）砌块吊装就位逡逑图１－２膨润土砌块安装过程逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｂｌｏｃｋ邋：邋（ａ）邋ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅ；逡逑（ｂ）邋ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｂｌｏｃｋｓ逡逑２００７年Ｈ）月，国务院批准的《国家核电发展专题规划（２００５－２０２０年）》中明逡逑确提出要在２０２０年之前建成我国高放射性废物地质处置地下实验室，并针对工程逡逑屏障^u展一系列的原位试验ｗ。我们国家目前还不具备压制这种高压实膨润土单环逡逑巨型砌块的经验，难以在保证单环巨型砌块质量合格率的基础上实现量产，同时逡逑为方便缓冲材料的储存、运输和安装，因此参考国外，诸如比利时、日本等国家逡逑的做法，采用压实膨润土砌块组合形式缓冲材料。逡逑这种砌块组合形式缓冲材料根据组合形式的不同，砌块与砌块之间存在着不逡逑同形式的接缝，这些接缝的存在会成为地下水的优势渗流通道，劣化缓冲材料的逡逑阻隔性能。陈宝ｗ指出

接缝,砌块,缓冲材料,填充材料

逡逑及砌块与废物罐之间难免会存在一定宽度的接缝如图１－３中（ａ）所示，这些接缝的逡逑存在会加速地下水的传播。崔玉军１７１提到，由砌块衬砌而成的工程屏障不免会存在逦、逡逑一定的空隙接触面，这些空隙接触面会影响工程屏障的性能。Ａ．邋ＦＥＲＲＡＲＩ等１（＂提逡逑出在膨润土砌块之间不需要填充任何缓冲材料，依靠膨润土砌块自身水化膨胀作逡逑用自行完成对接缝的封闭。尽管如此，出于安全起见将在接缝内填充经过破碎的逡逑高压实膨润土颗粒如图１－３中（ｂ）所示，这样一来对于以延缓地下水入渗、阻滞放逡逑射性核素向外迁移为主要功能的缓冲材料来说，其隔水性能不再只和高压实膨润逡逑土砌块的渗透性有关，很大程度上还依赖于接缝的宽度和接缝中填充材料的渗透逡逑性。逡逑画售逡逑s6歐＾＿邋’邋一＇一…‘逦

废物处置,台架,西班牙,试验台架

吸水性能测试、热驱动测试以及大型试验台架的耦合作用过程测试ｉ：ｕ］。逡逑２）邋ＦＥＢＥＸ邋项目逡逑ＦＥＢＥＸ邋项目（Ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ邋Ｂａｒｒｉｅｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）主要研究缓冲材料置库中高放废物的长期隔离能力。该项目基于西班牙对于结晶岩体中核废物的概念设计，将废物罐安置在水平巷道中，废物罐周围被高压实的膨润土缓料包围，其中，膨润土的主要作用是缓冲围岩对废物罐的作用，传导衰变热阻滞放射性核素向外迁移。ＦＥＢＥＸ包括两个大型的试验测试，一个是位于瑞ＲＩＭＳＥＬ地下实验室的原位测试，另一个是位于西班牙Ｍａｄｒｉｄ的能源、环境技中心（ＣＩＥＭＡＴ）的大型室内试验台架测试。除此之外还做了一系列的小型内试验，目〗的是为模拟大型试验提供必要的模拟参数ｌ邋ｕ］。在台架测试之中，膨受到均匀稳定的水压力作用，该注水压力值受到人工控制。在原位测试中，水的入渗会受到围岩裂隙分布及地下水水头高度的控制。因此，相比原位试验，逡逑内台架试验拥有较为精确可靠的边界以供数值模拟建模计算和分析。原位测够反应真实处置库环境下，缓冲材料的行为特征，并利用试验所得数据，＋校正ＴＨＭ耦合变量和数值模型。逡逑Ｄａｔｅ邋ａｏｊｕｉｓｉｌｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋｛ＤＡＳ）逦逦逡逑？

【参考文献】