核廢物地質(zhì)處置緩沖/回填材料研究綜述

馬立平，韓永國(guó)

(西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010)

緩沖/回填材料位于金屬包裝器和地質(zhì)體之間，是高放廢物處置庫(kù)多重屏障系統(tǒng)中最后一道人工屏障，其主要功能有：工程屏障作用，維護(hù)處置庫(kù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；水力學(xué)屏障作用，阻止地下水的滲流；化學(xué)屏障作用，阻滯核素遷移；導(dǎo)體作用，對(duì)輻射熱具有良好的熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散作用。因此，緩沖材料性能應(yīng)具有低透水性，能阻止和延緩地下水向廢物包裝容器滲透流動(dòng)；良好的膨脹性，緩沖材料經(jīng)吸水后體積膨脹，可堵塞周圍介質(zhì)中的所有空隙，降低介質(zhì)的孔隙度；良好的吸附性，能吸附從高放廢物中泄漏出的核素，在一定厚度的緩沖材料的阻隔下，核素在進(jìn)入生態(tài)圈之前，有足夠長(zhǎng)的時(shí)間把大部分核素衰變到無(wú)害水平；良好的熱穩(wěn)定性、耐輻射性，不易因輻射或因輻射導(dǎo)致溫度升高發(fā)生相變、變質(zhì)等不利現(xiàn)象而影響其功能；導(dǎo)熱性，能傳導(dǎo)和散失核素衰變熱保持處置庫(kù)的穩(wěn)定；良好的化學(xué)穩(wěn)定性；較好的機(jī)械緩沖性，能減弱、消散巖石因熱膨脹、變形等造成的對(duì)廢物容器的應(yīng)力，為廢物容器提供機(jī)械屏障；經(jīng)濟(jì)性，處置庫(kù)的緩沖材料應(yīng)經(jīng)濟(jì)價(jià)廉、資源豐富，以減輕高放廢物處置的費(fèi)用。從20世紀(jì)70年代已經(jīng)開始，國(guó)內(nèi)外專家經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)試驗(yàn)和理論分析，一致認(rèn)為以蒙脫石為主要成分的高壓實(shí)膨潤(rùn)土及其集成混合物作為緩沖/回填材料是最適合的材料，并對(duì)膨潤(rùn)土及其混合集成材料作為高放廢物處置緩沖回填材料的基本特性、溫度對(duì)礦物相變的影響、核素的遷移、氣體的擴(kuò)散、緩沖回填材料的制備和放置技術(shù)、熱傳導(dǎo)性、滲透性以及多場(chǎng)耦合方面進(jìn)行了廣泛的研究。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 膨潤(rùn)土的材料篩選研究

礦物純度、水的滯留特性、可塑性、低滲透性、較高的膨脹壓力和較好的導(dǎo)熱性等是膨潤(rùn)土選材的主要特性標(biāo)準(zhǔn)，而粘粒含量(小于2 mm)、蒙脫石含量、離子交換能力、有機(jī)物質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量和膨脹力等構(gòu)成主要篩選指標(biāo)，其中蒙脫石含量常被作為選料的重要指標(biāo)。至20世紀(jì)80年代末，世界上核能利用較為先進(jìn)的國(guó)家在膨潤(rùn)土作為緩沖/回填材料的選材方面的工作均已基本完成。目前，世界上較有代表性的有美國(guó)的MX80(MX80是火山巖分解形成的Wyoming鈉蒙脫石粘土，由美國(guó)Collolds公司經(jīng)銷。瑞典SKB的大多數(shù)緩沖材料的研究采用這種膨潤(rùn)土，并被國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)推薦作為高放射性廢物深地質(zhì)處置緩沖材料的參考標(biāo)準(zhǔn)粘土、法國(guó)的Fo-Ca(Fo-Ca是法國(guó)巴黎盆地的沉積粘土，主要成分是高嶺石一貝得石間層粘土礦物，由50%貝得石和50%高嶺石組成)粘土、西班牙的S-2(S-2是西班牙Almera地區(qū)的粘土，由火山巖熱液分解形成，主要成分是鈣蒙脫石)和日本的Kunigel VI(Kunigel VI是日本Kunimine公司生產(chǎn)的鈉蒙脫石膨潤(rùn)土)等[1]～[3]。

1.2 膨潤(rùn)土的滲透性研究

在膨潤(rùn)土的滲透性研究方面。1996年，Delage和Cui等人在獲取試樣土水特征曲線的基礎(chǔ)上，采用瞬時(shí)斷面法計(jì)算了高壓實(shí)膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)。隨后, Delage和Cui等人又發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土在水飽和條件下，其中水的傳導(dǎo)符合達(dá)西定律；而在水飽和之前，水的運(yùn)動(dòng)則可分液體運(yùn)動(dòng)和蒸汽運(yùn)動(dòng)兩種形式；當(dāng)含水量較低時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)以蒸汽擴(kuò)散為主，而當(dāng)含水量較高時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)以液體運(yùn)動(dòng)為主；鈉基膨潤(rùn)土比鈣基膨潤(rùn)土能更有效地阻止純水或離子溶液的滲透[4]。1996年Hideo Komine采用砂-膨潤(rùn)土為試樣，待試樣體積膨脹穩(wěn)定后，運(yùn)用達(dá)西定律測(cè)定滲透系數(shù)，試驗(yàn)表明回填材料砂-膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)隨著膨潤(rùn)土的含量增多以及干密度的增大而降低[3]。但由于高壓實(shí)膨潤(rùn)土非飽和滲透自身的復(fù)雜性，此項(xiàng)仍有待深入開展研究。

1.3 膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)特性研究

在膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)特征研究方面。膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要與密度、孔隙率、含水量及其所含的非粘土礦物的種類和數(shù)量有關(guān)。同一種膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱隨壓實(shí)密度增大而增大；在相同壓實(shí)密度時(shí)，含水量越大，其熱傳導(dǎo)系數(shù)越高。在1983、1984年Moss和Molecke研究了膨潤(rùn)土和石英砂的混合物的熱傳導(dǎo)率，結(jié)果認(rèn)為，在石英砂含量為30%的范圍內(nèi)，混合物中石英砂的比例越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，這是因?yàn)榕驖?rùn)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)小于石英砂。而在混合物中，石英比例達(dá)到70%時(shí)，由于石英粒徑大，孔隙增大，熱傳導(dǎo)率將有所下降。Moss和Molecke根據(jù)理論推導(dǎo)認(rèn)為膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的熱傳導(dǎo)率，從而壓實(shí)膨潤(rùn)土能達(dá)到處置庫(kù)所要求的熱傳導(dǎo)率。因此，人們普遍認(rèn)為：提高其熱傳導(dǎo)系數(shù)的最簡(jiǎn)單方法就是在膨潤(rùn)土中加入石英。目前，許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)添加石英顆粒的大小和數(shù)量對(duì)熱一水一力學(xué)性能的影響正在進(jìn)行研究。

1.4 膨潤(rùn)土的多場(chǎng)耦合研究

在多場(chǎng)耦合試驗(yàn)研究方面。1998年、2000年Cho等人發(fā)現(xiàn)壓實(shí)膨潤(rùn)土隨著溫度的升高其滲透性會(huì)降低；2001年Romero等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土的持水能力隨溫度上升而下降；2001年Romero 等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓實(shí)膨脹土在不同溫度條件下的體積變化特征取決于試驗(yàn)材料的塑限、膨脹性以及壓實(shí)含水量；2008年Tong F.G，JingL等人[5]對(duì)緩沖/回填和近場(chǎng)的多場(chǎng)耦合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；2009年Valyashko VM等人對(duì)膨潤(rùn)土在高溫高壓下的熱傳導(dǎo)和滲透性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[6]。

在多場(chǎng)耦合理論研究方面。1981年Weststic等人研究了作為回填材料的膨潤(rùn)土的滲透性與膨脹力等特征；1994年Olivella等人、2001年Rutqvist等人提出了水氣質(zhì)量、能量及力學(xué)平衡方程；2000年 Cui等人、2002年Cui等人分別建立了兩場(chǎng)耦合的熱-應(yīng)力模型和應(yīng)力-吸力模型。針對(duì)非飽和土的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型，不少學(xué)者也展開了理論研究，其中1990年Alonso等人提出了巴塞羅那基本模型(BBM)；1992年Gens 等人提出的非線性彈性模型能較好地反映非飽和土諸多重要力學(xué)現(xiàn)象，而且參數(shù)較易確定；2008年Tang A-M等人、2009年TARONJ等人、 2009年Joshua Taron等人分別對(duì)溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的多場(chǎng)耦合的建模理論進(jìn)行研究，并取得一定的成果。在數(shù)值模擬及模擬程序設(shè)計(jì)方面，國(guó)外許多學(xué)者也作了大量的工作，他們開發(fā)了一些數(shù)值模擬程序如：ROCMAS、 FRACON、CODE_BRIGHT、 THAMES 以及ABAQUS-CLAY等，這些都是基于有限元而開發(fā)的程序，對(duì)于模擬熱、滲流、應(yīng)力、化學(xué)等引起的耦合問(wèn)題都有一定的局限性。但總的來(lái)說(shuō)，能全面反映耦合作用條件下，高壓實(shí)膨潤(rùn)土的行為特征和核素遷移行為的研究成果仍然有限。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)在高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)緩沖/回填材料方面的研究源于1985年，主要由中國(guó)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院最早開展研究。自1985年以來(lái)，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成了系列研究工作[7]。主要包括：1996年至2000年間，進(jìn)行了地表鈣膨潤(rùn)土基本性能研究；從2001年起開展了深部鈉膨潤(rùn)土的基本性能研究；2003年劉月妙等人[8]按照高放射性廢物深地質(zhì)處置庫(kù)中緩沖材料的作用及要求，參照8個(gè)主要核國(guó)家采用的9種蒙脫石類粘土的樣品來(lái)源、礦物成分、主要物理化學(xué)特征和熱—水—力學(xué)性能進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)中國(guó)內(nèi)蒙古高廟子(GMZ)膨潤(rùn)土蒙脫石含量較高，陽(yáng)離子交換容量和比表面積較大，同時(shí)具有很好的不滲透性、高膨脹性和良好的導(dǎo)熱性能；從2003年開始，針對(duì)內(nèi)蒙古興和縣高廟子膨潤(rùn)土開展進(jìn)一步的研究工作，并且也把它作為我國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置緩沖/回填材料的基料。

2.1 膨潤(rùn)土的特性研究

在膨潤(rùn)土的特性研究方面。2001年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的劉月妙等人[8]對(duì)未經(jīng)提純處理的天然高廟子膨潤(rùn)土，進(jìn)行了X射線衍射分析、紅外光譜分析、化學(xué)全分析、X射線熒光稀土元素分析等多種物相分析法，并對(duì)試樣進(jìn)行了差熱分析、熱重分析及掃描電子顯微鏡觀察，研究了其壓實(shí)、膨脹力和膨脹變形等特性；2003年劉月妙等人[8]又對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的物理化學(xué)特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其蒙脫石含量可高達(dá)80.9%，具有高陽(yáng)離子交換能力和膨脹能力；同年，采用高壓固結(jié)儀進(jìn)行膨潤(rùn)土的膨脹力實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明在干密度為1.46 g/cm3和含水量為23.99%的條件下，該土的膨脹能力可達(dá)4.75 MPa。2005年葉為民等人[9]利用MIP和SEM方法研究表明，在高壓實(shí)膨脹土水化過(guò)程中，體積膨脹主要來(lái)源于膨脹土集合體結(jié)構(gòu)中集合體之間的大孔的擴(kuò)張。

2.2 膨潤(rùn)土的滲透性研究

在膨潤(rùn)土的滲透性方面。1995年，周抗寒等人[10]研制了用于膨脹土研究的多功能膨脹滲透儀，并用該儀器對(duì)壓實(shí)膨潤(rùn)土進(jìn)行滲透性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)用于高活度放射性廢物深地質(zhì)處置的壓實(shí)膨潤(rùn)土，其滲透系數(shù)要求低于10～11 cm/s；1998年，沈珍瑤等人[11]進(jìn)行了高壓實(shí)膨潤(rùn)土脫濕一吸濕過(guò)程試驗(yàn)，結(jié)果表明吸濕過(guò)程中試樣孔隙比變化大于脫濕過(guò)程；從2005年開始，葉為民等人對(duì)膨潤(rùn)土的緩沖性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)[9]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高壓實(shí)膨潤(rùn)土初始?jí)簩?shí)密度越大，膨脹勢(shì)越大，通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)處置庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)下的密實(shí)度是動(dòng)態(tài)變化的，它與緩沖/回填材料的初始密實(shí)度、吸力以及人工屏障形成過(guò)程中可能發(fā)生的變形量等相關(guān)，且在吸濕過(guò)程中，隨著吸力的變化而變化，密實(shí)度的變化會(huì)反過(guò)來(lái)影響到非飽和緩沖/回填材料的滲透性，因此，密實(shí)度、土水特征是影響高壓實(shí)膨潤(rùn)土的非飽和滲透性的關(guān)鍵影響因素。2006年陳寶等人采用滲析法和水汽平衡法來(lái)控制吸力技術(shù)，通過(guò)土水特征曲線測(cè)定試驗(yàn)、環(huán)境掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)，研究高壓密高廟子膨潤(rùn)土在不同吸力下的持水特性及其微觀結(jié)構(gòu)特征，其研究結(jié)果表明在不同吸力作用下膨潤(rùn)土的持水特性與其微觀結(jié)構(gòu)之間有著密切關(guān)系；

2.3 膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)特性研究

在膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)特性性能方面。2003年劉月妙等人[8]對(duì)內(nèi)蒙古興和縣高廟子(GMZ)膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明熱傳導(dǎo)系數(shù)與土的壓實(shí)壓力和含水量成正比；2006年溫志堅(jiān)研究了GMZ-1的礦物組成、基本特性參數(shù)和GMZ-1在不同干密度、不同含水量條件下的熱傳導(dǎo)、水傳導(dǎo)、力學(xué)性能以及GMZ-1在不同干密度條件下的膨脹特性，并指出GMZ-1鈉基膨潤(rùn)土具有蒙脫石含量高(75%左右)，雜質(zhì)礦物相對(duì)較少的特點(diǎn)。

2.4 膨潤(rùn)土中放射性核素遷移規(guī)律研究

在膨潤(rùn)土作為緩沖回填材料阻止核素遷移的研究方面。2001年，劉月妙等人[7]進(jìn)行了開放環(huán)境下GMZ膨潤(rùn)土對(duì)核素90Sr、137Cs和239Pu的吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，pH值、反應(yīng)溫度和核素濃度對(duì)核素吸附有重要影響，137Cs和239Pu的吸附比隨溫度的升高有下降的趨勢(shì)，但90Sr的吸附比隨溫度的升高而增大，在低濃度時(shí)，吸附比隨濃度的增加而增加，高濃度時(shí)則相反，三種核素平衡吸附濃度約為10-5mmol/L；2004年，易發(fā)成等人[12]對(duì)四川三臺(tái)鈣基膨潤(rùn)土的基本物化性能和對(duì)Pb2+,Co2+離子的吸附性能作了初步的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出膨潤(rùn)土對(duì)重金屬離子Pb2+的吸附性能優(yōu)于Co2+,Pb2+和Co2+的吸附比(Rd)分別為167.8 ml/g及53.3 ml/g；Pb2+和Co2+去除率(r)分別為45.87%和21.20%；從2007年至今，張玉軍等人[13]對(duì)高放廢物處置庫(kù)近場(chǎng)熱-滲-力耦合條件下核素遷移及多場(chǎng)耦合問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，特別考慮了緩沖/回填層中溫度梯度水分?jǐn)U散、水蒸汽擴(kuò)散對(duì)水連續(xù)性及能量守恒的影響，建立了飽和-非飽和介質(zhì)中熱-滲-力耦合現(xiàn)象的核素遷移控制方程，并針對(duì)試驗(yàn)資料，使用所開發(fā)的有限元程序?qū)σ粋€(gè)核廢料處置概念庫(kù)近場(chǎng)的熱-滲-力耦合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬；2009年，西南科技大學(xué)的李寧波、易發(fā)成等人采用間歇法研究在不同環(huán)境條件下(濃度、固液比、溫度、pH值、介質(zhì))，新疆阿爾泰膨潤(rùn)土對(duì)Sr2+、Cs+的吸附性能影響；2011年，西南科技大學(xué)的易發(fā)成、周敏娟等人對(duì)新疆阿爾泰膨潤(rùn)土土水特征進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明新疆阿爾泰膨潤(rùn)土具有極強(qiáng)的吸水性和膨脹性，但其持水性能低于內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土，其原因可能與塑性指數(shù)大小有關(guān)，對(duì)于體積受吸力變化影響較顯著的膨潤(rùn)土，宜用重力含水量表達(dá)其土—水特征曲線；2012年[14]，陳正漢等人對(duì)混合緩沖/回填材料在高溫-高壓-高吸力條件下的力學(xué)特性及其應(yīng)用進(jìn)行了的研究。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于膨潤(rùn)土中核素遷移的研究數(shù)據(jù)不多，還需要做大量的理論研究與試驗(yàn)工作。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

縱觀國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展，對(duì)膨潤(rùn)土及其集成混合材料作為緩沖/回填材料的研究主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①至20世紀(jì)80年代末，世界上核能利用較為先進(jìn)的國(guó)家在膨潤(rùn)土作為緩沖/回填材料的選材方面的工作均已基本完成；②由于高壓實(shí)膨潤(rùn)土非飽和滲透自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致膨潤(rùn)土作為緩沖/回填材料的滲透性研究方面仍有待深入；③在膨潤(rùn)土作為緩沖/回填材料的熱傳導(dǎo)特征研究方面，許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)添加石英顆粒的大小和數(shù)量對(duì)熱一水一力學(xué)性能的影響正在進(jìn)行研究；④深地質(zhì)處置中，化學(xué)特征對(duì)高壓實(shí)膨潤(rùn)土緩沖性能的影響是極其復(fù)雜的，而國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究也大多處在不成熟階段；⑤能全面反映熱-滲-力耦合作用條件下，高壓實(shí)膨潤(rùn)土的行為特征的多場(chǎng)耦合研究成果仍然有限，還有待深入進(jìn)行；⑥由于我國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置方面的研究工作總體起步較晚，除基本完成膨潤(rùn)土的選材工作外,總的還處在膨潤(rùn)土基本物理化學(xué)性質(zhì)、土水特性、熱傳導(dǎo)、滲流的研究階段；⑦在熱、滲、力多場(chǎng)耦合條件下核素在膨潤(rùn)土中遷移規(guī)律研究方面可參考的研究成果還不多見。

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