初始孔隙率对高放射性废物处置库缓冲材料性状的影响

采用高放射性核废料处置库(high-level radioactive nuclear waste repsitory, HLWR)模型试验,以核废料处置库近场的缓冲层GMZ01膨润土为研究对象,建立轴对称模型.采用有限元(finit element method, FEM)软件Code-Bright,考虑热-水-力(thermo-hydromechanical, THM)耦合作用,研究作为缓冲层的GMZ01膨润土在处置库关闭后,不同压实度(初始孔隙率)对处置库渗流场、应力、温度的影响,得到了不同初始孔隙率膨润土在处置库封闭运行后温度、饱和度、吸力、应力等性状随时间的变化.实验结果可为中国北山核废料处置库的规划、设计、可行性分析提供一定的参考.     

热源对核废料处置库近场性状的影响

采用高放射性核废料处置库模型进行试验, 以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象, 建立轴对称模型. 选用适当的控制方程, 运用有限元软件Code-Bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行热-水-力(thermo-hydro-mechanical, THM)耦合的数值模拟. 通过比较不同初始热源, 得到了处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、吸力及应力的变化规律. 结果表明, 初始热源较小时膨润土和岩石的性质更为稳定.     

核废料处置库近场的热-水-力耦合分析

为研究高放射性核废料地质处置的热-水-力耦合过程，以FEBEX原位试验为计算模型，利用有限元软件code-bright进行数值模拟分析，得到热-水-力耦合作用下处置库关闭后近场膨润土和岩石内温度、饱和度、吸力、应力及位移的变化规律，其结果可为核废料处置库的规划、设计以及缓冲／回填材料的选取提供参考．     

缓冲材料参数对核废料处置库近场影响的二维有限元分析

以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验作为数值计算模型,利用有限元软件Code-Bright,通过改变膨润土初始渗透系数、初始吸力和初始进气值,得到热-水-力(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合作用下处置库关闭后缓冲层饱和度和吸力的变化规律,以及以上3个因素对这些性状影响的敏感程度,研究结果可为核废料处置库缓冲材料的选取提供参考.     

平面裂隙中膨润土挤出过程的数值模拟

膨润土因其膨胀性、低渗透性等特性常被用作高放核废料处置库的缓冲和回填材料。与地下水接触时,膨润土会发生膨胀,挤入周围岩体的裂隙中。如果进入裂隙中的膨润土的质量超过一定程度的话,会使得缓冲层中的膨润土密度下降,可能会导致处置库性能的降低甚至丧失。为了系统地了解这一过程,建立了膨润土在平面裂隙中的挤出模型,研究了地下水中电解质的浓度和缓冲层内膨润土的干密度的影响。计算结果表明膨润土的挤出距离和时间的平方根成正比关系,比例系数随着电解质浓度的减小而增加,随着膨润土干密度增加而增大。     

膨润土-砂混合物缓冲层径向热传导性

膨润土-砂混合物作为高放废物处置库缓冲材料,在核废料衰变热影响作用下,其稳定性及物理力学性能产生显著变化,这对缓冲回填材料的包封阻隔作用及处置库的安全运行产生重要影响。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,并对试验过程进行热-力耦合数值模拟分析,得到了缓冲层温度、应力和应变的变化及分布情况。结果表明,增大试样干密度、含水率和掺砂率均可提高导热性,应力和应变也随之增大,且不同含水率试样产生的结果变化显著;缓冲层靠近热源的位置温度、应力和应变最大,且沿径向方向减小,初始时刻各值变化显著。     

地下深部硐室的温度应力场

在考虑了花岗岩弹性模量和泊松比随温度变化的基础上,利用有限元软件ANSYS对核废料处置库在不同温度下的温度应力场进行研究.通过分析发现,根据常温时花岗岩弹性模量和泊松比计算得到的热应力与根据不同温度下花岗岩弹性模量和泊松比计算得到的结果相比较,随着温度的升高,两者差别从20%增加到60%.     

高放核废物处置库T-M耦合数值模拟

考虑到地下工程受地应力、温度、水的相互影响,导致岩体力学性质的改变,采用ANSYS有限元分析软件,基于Mohr-Coulomb破坏准则,建立高放核废物处置库的数值模型,在此基础上进行热-力（TM）耦合二维数值模拟．研究了高放核废物处置库9种方案运行一百年的温度、应力、位移变化,通过对比分析,在满足安全、经济的基础上,选择最佳的处置库间距和深度,为核废物处置库的设计提供参考依据．     

高放废物处置库非饱和多场耦合数值模拟与参数分析

为对高放废物处置库进行安全评估,建立了岩土材料饱和非饱和的渗流温度应力(THM)多场耦合数值模型,对处置库(处置容器、缓冲材料和围岩)进行非饱和THM多场耦合数值模拟。基于COMSOL Multiphysics软件平台,以北山花岗岩高放废物处置库和内蒙古高庙子膨润土为研究对象,对高放废物处置库进行长达500a的数值模拟,对比分析耦合与非耦合的模拟结果,并对渗透率、导热系数和地下水深度等参数进行敏感性分析。结果表明:耦合模拟的温度比非耦合模拟的温度低13℃;地下潜水面由0m上升到1000m的时候,缓冲材料完全饱和的时间由703a下降到了28a;围岩的固有渗透率下降5个数量级时,缓冲材料的饱和时间由28a上升到了250a;各个物理场相互耦合,共同影响处置库的长期稳定性。     

压实高庙子膨润土抗拉强度时效性试验

通过试验研究了试样静置时间对不同干密度和含水率压实高庙子膨润土抗拉强度的影响. 在保持干密度和含水率不变的条件下, 将不同初始状态试样分别静置 0, 7, 15, 30, 90 d, 利用巴西试验测其抗拉强度, 并结合压汞试验进行分析. 试验结果表明: 随静置时间的增加压实高庙子膨润土的抗拉强度前期减小较多, 后期逐渐趋于稳定; 在同一含水率下, 静置时间对膨润土抗拉强度的影响程度随干密度的增大而减小. 静置时间对膨润土抗拉强度的影响如下: 在静置过程中, 由于土中水分子逐渐向蒙脱石层间移动, 蒙脱石晶层吸水逐渐展开、水化, 故颗粒间连接变弱, 使抗拉强度降低. 该成果为核废料处置库膨润土砌块的存放和在安装过程中其抗拉强度的变化范围提供参考数据.     

膨润土膨胀力长期衰减特性的数值分析

利用Phreeqc软件对膨润土缓冲层在多场耦合作用下10 000 a内的孔隙溶液浓度、晶层离子交换量及蒙脱石含量变化进行数值模拟,并结合分形理论,计算得到膨润土垫层的膨胀力在长时间尺度下的衰减变化过程。研究结果表明:膨胀力衰减幅度由膨润土垫层与围岩接触的外边界至内部逐步降低;海水环境中膨胀力衰减较地下淡水环境更为显著;膨润土的膨胀力经一段时间衰减后趋于稳定且10 000 a后仍存在较高膨胀力,证明膨润土能长久地有效确保核废料处置库的安全性。     

压实高庙子膨润土抗拉强度各向异性

高放射性核废料深地质处置库中的缓冲层由膨润土块堆砌构成, 而块体由膨润土粉末压制而成, 其强度可能存在各向异性. 采用直接拉伸试验方法, 测得压实高庙子膨润土在不同条件下的抗拉强度, 探讨了干密度和含水率对抗拉强度各向异性的影响, 并进行了机理分析. 试验结果表明: 随着含水率的增加, 抗拉强度先增大后减小, 存在一个峰值; 抗拉强度随着干密度的增加而增大; 当拉力方向与制样压实力方向垂直时, 试样的抗拉强度大于拉力方向与压实力平行时的抗拉强度, 并且在同一含水率下, 抗拉强度各向异性的程度随干密度的增加而增大. 原因在于压实过程中蒙脱石层叠体排列趋于一个方向, 导致各向异性显著. 研究成果可为我国核废料处置库膨润土块体在运输和吊装过程中的抗拉强度特性提供参考数据.     

生物炭改性高庙子膨润土对铕(Ⅲ)的吸附特性

针对作为我国核废料处置库缓冲/回填材料——高庙子(GMZ)膨润土——在长期运营条件下的缓冲性能衰减问题,利用梧桐叶为碳源制备生物炭改性GMZ膨润土,通过微观表征和批次吸附试验,研究了其结构和对Eu(Ⅲ)的吸附性能,进一步探讨了复合材料的作用机理.结果表明,生物炭改性GMZ膨润土中的官能团出现次甲基(—CH),说明有机官能团嫁接成功,层间距进一步增大,蒙脱石表面的细小颗粒在改性后变大.在吸附性能方面,随着固液比和接触时间的增加,吸附率提高;随着pH值、离子强度的增加,吸附率降低;生物炭改性GMZ膨润土对Eu(Ⅲ)的吸附等温线符合Langmuir模型和准二级动力学模型,最大理论吸附量为32.36 mg·g~(-1).     

渗流-应力耦合作用下高孔低渗泥岩渗透特性演化模型

围岩渗透特性演化是地下工程稳定性分析的一项重要研究内容.以某泥岩高放射性核废料处置库工程为背景,结合相关室内试验和现场试验成果,以泥岩力学损伤为主线,建立了泥岩渗透性演化数学模型;结合处置库巷道围岩孔隙压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行了反演研究.结果表明:反演所得的泥岩渗透率数量级与试验值相同,孔隙压力沿围岩径向分布规律一致,反演孔隙压力值与实测值比较接近;围岩扰动区最大渗透率是原岩的381倍,围岩的损伤分布形态与渗透性扰动区相似,均近似为椭圆形.研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.     

温度对膨润土及其混合物性质的影响

在高放废物地质处置工程中,放射性废物的衰变发热会导致处置库环境温度升高,从而影响缓冲回填材料-膨润土及其混合物的工程性能。综合已有文献的试验数据,分析总结了温度对膨润土及其混合物性质的影响。结果表明温度升高会影响膨润土的微观结构,包括孔隙比和孔径分布;同时也会改变膨润土及其混合物的工程性质,包括持水能力、膨胀性质及强度特性。     

基于集束搜索的立体车库库位布局研究

为缩短堆垛机在巷道堆垛式立体车库内运行时间、顾客等待时间,提高立体车库效率,提出了一种集束搜索算法,用于优化堆垛机运行路径.通过对实体运行立体车库的分析,建立了立体车库排队等待的数学模型,再结合实际车库库位布局,以堆垛机运行距离、顾客平均等待时间和平均等待队长为衡量指标,采用MATLAB软件编写仿真程序,分析对比了在一定库位容量下不同库位布局方式对整体运行效率的影响,并与就近存取原则下各项运行指标进行对比.结果表明:在4层6列库位布局下,立体车库各项运行指标均最低,且使用集束搜索对最优库位进行选择时比就近存储运行距离缩短了约50%,顾客平均等待时间和平均等待队长缩短了约31%和76%.因此,集束搜索在对立体车库选择合理库位布局时有较好的效果.     

无界域—维热平流热传导问题的解析人工边界条件

以核废料处置库近场环境的对流传热过程为研究对象,采用解析法,推导了无界域内一维热平流热传导过程的准确人工边界条件.针对饱和多孔介质的一维水流传热问题,考虑半无界域内的温度边界情况和无界域内的热流集度情况,分别采用准确人工边界条件和下游特定位置处的温度人工边界条件,利用有限差分法计算任意时刻的温度分布.通过与半无界域内一维水流传热问题的解析解对比,验证了准确人工边界条件的可用性和准确性.结果表明,采用温度人工边界条件计算时,如果传热时间足够长,则温度计算点离人工边界位置越近,计算误差就越大;相比之下,采用准确人工边界条件计算时,计算误差很小,并与人工边界的具体位置无关.     

高放废物处置库缓冲回填材料热-水-力耦合研究进展

用于高放废物处置库中的缓冲回填材料,在处置库运行期间产生的热-水-力耦合作用下,其性状发生改变,这将对缓冲回填材料的防护性能产生重要影响,进而引发一系列安全稳定性问题。因此,关于缓冲回填材料热-水-力耦合研究愈来愈受到广泛关注。在总结和分析国内外有关膨润土热-水-力耦合作用研究的基础上,从温度场、应力场和变形场等方面对当前的研究成果进行了归纳和总结,在此基础上指出,基于室内试验及数值模拟研究成果,开展深层地下现场试验研究是该领域当前发展的重要趋势,相关研究可为处置库运行时热-水-力耦合行为预测及处置库的规划、设计及建造提供理论参考。     

膨润土-碳酸钙混合物的力学特性

通过在膨润土中掺入不同量的CaCO_3模拟高放射性核废料(high-level radioactive waste,HLW)处置库周围地下水侵入屏障生成CaCO_3后膨润土性状的变化。通过配置4组不同CaCO_3掺入量的膨润土进行了有荷膨胀试验、压缩试验和直剪试验,运用太沙基一维固结理论计算了渗透系数,并采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)对样本进行了微观分析。结果表明:最终膨胀率与竖向应力、CaCO_3含量有关,竖向应力越大,CaCO_3含量越高,最终膨胀率越小;压缩指数随CaCO_3含量的增大而小幅下降;随着CaCO_3含量的增多,膨润土-碳酸钙混合土渗透性变差;非饱和样的抗剪强度随CaCO_3含量变化存在一个峰值,黏聚力先增后减,饱和样则相反;电镜扫描图显示,CaCO_3的掺入填充了膨润土中的孔隙,使其结构更加致密。     

膨润土膨胀变形的分形模型

膨润土的膨胀变形计算一直是核废料处置库垫层设计的关键难题之一,膨润土的膨胀变形过程就是膨润土吸水过程,膨润土吸附水体积与膨润土的表面特征有关,膨润土的表面特性可以采用分形模型描述,由此可以建立膨润土吸附水体积与上覆压力的关系.根据膨润土表面和膨润土膨胀后的团粒(aggregate)的分形模型,建立了膨润土膨胀变形、膨胀压力、侵蚀(自由膨胀)和饱和膨润土压缩变形的计算理论,导出由溶质吸力产生的有效应力表达式,建立了有效应力表示的盐溶液中膨润土膨胀变形方程,并得到膨胀变形试验数据的验证.结果表明,膨润土吸水体积是上覆压力的幂函数,指数为Ds-3;侵蚀临界剪切应力是膨润土团粒的有效密度、直径的幂函数,膨润土侵蚀质量是水流量的幂函数,指数是团粒分维的函数.