高放废物地质处置缓冲-回填材料研究现状.docx
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1、 高放废物地质处置缓冲/回填材料研究现状 南京政治学院上海校区管理处200433摘要:缓冲/回填材料是高放废物地质处置中最后一道工程屏障材料,其基本力学特性的发挥是地下处置库安全运行的重要保障。本文对国内外高放废物地质处置缓冲/回填材料力学特性研究现状和进展进行了回顾和总结;并重点介绍了目前国内外学者主要针对膨润土以及膨润土-砂混合缓冲/回填材料的膨胀特性、渗透特性和持水特性等非饱和特性的试验研究成果。关键词:高放废物;地质处置;缓冲/回填材料;力学特性核电的发展不可避免地产生大量核废物。核废物按其放射水平的不同可以分为低放、中放和高放废物。一般情况下中低放废物通常采用沉淀法、蒸发浓缩法、太阳
2、能蒸发、离子交换法和电渗析、反渗透、超滤和固液相分离等方法进行处理,而高放废物由于具有放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长等特点,使得高放废物安全处置成为人类最关心的问题之一。在高放废物处理方法上曾经提出过太空处置、极低处置、深海沟处置、深地质处置等方法,目前公认的安全可靠、技术可行的方法为地质处置方法,即在地表以下5001000米深建造处置库,通过工程屏障和天然屏障永久隔离高放废物。天然屏障即为天然地质体,工程屏障包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲/回填材料。其中,缓冲/回填材料构成最后一道工程屏障,是高放废物处置库安全运行的重要保证,对其材料的选择要非常慎重。据估算,我国目前运行的11
3、个核电机组每年约产生470吨乏燃料;到2020年我国将累计有约10300tHM乏燃料。对核电站产生的高放废物的最终安全处置,是一个与核安全同等重要的问题,是确保我国核能工业可持续发展和环境安全的重大问题。1国际上缓冲/回填材料研究现状与发展高放废物地质处置最早是由美国国家科学院于1957年提出的,目前国际上对高放废物地质处置缓冲/回填材料研究主要集中在以下几个方面:1.1缓冲/回填材料试验设备的研制膨润土或膨润土-砂混合物属于非饱和土中的特殊土,具有高膨胀性、极低的渗透性等一系列特殊性质,如膨胀力大、渗透时间长等问题,这些都大大超出了常规土力学试验设备的试验能力范围。为此,国际上研制了很多针对
4、膨润土等特殊土的特色试验设备。西班牙能源环境与技术中心在考虑温度对缓冲/回填材料的固结特性影响时,研制出温控非饱和固结仪,通过将试样装置放置于特制的恒温水槽内,通过控制水槽内的温度达到对试样温度的控制。法国路桥大学研制了一个等向高吸力温控固结仪,利用饱和盐溶液控制吸力,可施加64MPa的压力,通过将压力室放入恒温水槽中,可实现对温度的控制。陈正汉等研制了国内首台温控土工三轴仪,在2009年又研制成高温-高压-高吸力三轴仪,专门用于研究缓冲/回填材料的热力学特性。这些试验仪器的成功研制无疑大力推动了缓冲/回填材料基本性质的研究进展,且大部分都考虑到了缓冲/回填材料在实际运行中所处的环境,因此能够
5、更加真实的体现缓冲/回填材料在高放废物地下处置库中运行力学状态。1.2缓冲/回填材料力学特性膨润土力学特性的研究,是随着人们对高放废物深地质处置的日益关注而展开的。20世纪70年代末,瑞典科学家提出膨润土是合适的缓冲/回填材料,并对膨润土展开了系统研究。为选择合适的缓冲/回填材料,瑞典研究了多种不同膨润土(以及一些其它粘土)的膨胀力、渗透性、剪切强度等性质,并考察了孔隙溶液类型及其浓度对上述特性的影响,研究表明孔隙溶液电解质浓度提高会导致膨胀力减小,渗透系数增大。瑞典学者在膨润土微结构研究方面取得了诸多成果,提出了一系列微结构模型,对压实膨润土吸水饱和后微结构特性的研究具有意义。加拿大、西班牙
6、、法国、日本、德国等根据各国的处置情况对膨润土的力学特性进行了研究。这些成果为进一步研究缓冲/回填材料的力学特性指明了研究方向。但主要是针对压实膨润土在吸水饱和后的力学特性,涉及的是饱和土力学的理论知识,而地下处置库中的缓冲/回填材料实际上长期处于非饱和状态,因此,研究缓冲/回填材料的非饱和力学特性更能反映处置库的工作状态,但这些研究成果和研究方法无疑为研究膨润土的非饱和力学特性奠定了基础。1.3缓冲/回填材料非饱和力学特性缓冲/回填材料的非饱和力学特性主要集中在两点,一是针对膨润土较好的膨胀性而开展的膨胀特性试验研究,二是研究材料的土-水特征曲线这一重要非饱和特性。在膨胀特性方面,Motes
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