高放廢物處置庫緩沖材料氣體滲透特性研究

高玉峰，劉月妙，謝敬禮，曹勝飛，馬利科

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029)

高放廢物的特點是放射性水平高，毒性大，發(fā)熱量大，若不加以安全處置，會對自然環(huán)境和人類社會帶來巨大的破壞作用。隨著核工業(yè)的迅速發(fā)展，高放廢物處置已逐漸成為影響環(huán)境保護和核工業(yè)持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性課題。而如何使高放廢物與人類生存環(huán)境充分、徹底、可靠地隔離，且隔離時間達上萬年甚至幾百萬年是人類社會面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，國際上公認(rèn)處置高放廢物最有效可行的方法是深地質(zhì)處置，即把高放廢物埋在距離地表深500～1 000 m的地質(zhì)體中，使之永久與人類的生存環(huán)境隔離，埋藏高放廢物的地下工程稱為“高放廢物處置庫”[1-2]。

高放廢物處置庫中要求緩沖材料能阻止外界氣體與廢物罐接觸，以保證處置庫處于缺氧的還原環(huán)境。廢物罐的腐蝕、水和有機物在輻照和微生物作用下分解等可以產(chǎn)生大量的氣體(主要成分是H2)。在極端的情形下，隨著氣體積累，氣壓變大，很可能穿透工程屏障甚至穿透天然地質(zhì)屏障[3-4]。氣體產(chǎn)生極大的影響整個處置庫系統(tǒng)的安全性能，破壞工程屏障的整體性，加速水和核素的遷移[5]。

膨潤土以其低滲透性、高膨脹性、高吸附性等而被選作緩沖材料的基材[6-7]，是置于高放廢物包裝體與圍巖之間的一道重要材料，也是處置庫工程屏障的組成部分，起著機械屏障作用，能阻止外界氣體與廢物罐接觸。因此，測試不同加載氣壓范圍條件下的氣體滲透系數(shù)，可以為處置庫穩(wěn)定性分析和長期安全評價提供關(guān)鍵參數(shù)，對高放廢物地質(zhì)處置庫的設(shè)計及長期安全評價具有重要意義。

國外學(xué)者對不同膨潤土的氣體滲透特性做了相關(guān)的研究，C.Gallé等[8]研究了氫氣在較高飽和度和不同干密度下壓實膨潤土的滲氣規(guī)律，得到了氫氣在試樣中的滲氣系數(shù)，并分析了臨界氣壓力、滲透氣壓力和飽和度對滲氣系數(shù)的影響規(guī)律。S.T.Horseman等[9-10]對緩沖材料MX80膨潤土進行了氦氣注射試驗，發(fā)現(xiàn)臨界氣體穿透值遠比原位試驗測定值要小，且在水飽和條件下的膨潤土中氣體幾乎無法滲透。Villar等[11]使用非穩(wěn)態(tài)法研究了不同壓實條件下FEBEX膨潤土的滲氣特性；D.Arnedo等[12]通過注氣試驗對膨潤土-砂混合物采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了氣體在混合物中的遷移情況。

國外學(xué)者也對高壓實黏土巖中的氣體遷移進行了大量試驗研究，探討了氣體遷移的機理問題，并對水飽和條件下黏土巖進行氣體遷移研究。L.Ortiz等[13]對Boom黏土巖中氣體的產(chǎn)生和遷移進行了試驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)圍巖中氣體產(chǎn)生速率大于氣體擴散速率，導(dǎo)致氣壓升高。在瑞士Mont Terri地下實驗室進行的加熱試驗中，研究了氣體在Opalinus黏土巖中的遷移情況[14]。在瑞典Aspo硬巖實驗室，進行了現(xiàn)場大尺寸氣體注入試驗，獲得了氣體遷移的大量數(shù)據(jù)[15]。在瑞士的Grimsel地下實驗室進行的工程屏障氣體滲透試驗(GMT)，集中研究在糧倉型的處置庫中氣體在工程屏障中的滲透問題，并采用實驗室以及數(shù)值方法等進行現(xiàn)場的模擬試驗[16-17]。為了解緩沖材料的特征，法國原子能機構(gòu)(FCEA)對H2在Fo-Ca黏土巖中的遷移進行了系統(tǒng)的試驗研究，獲得了氣體滲透性、進氣壓力和氣體穿透臨界壓力值等一系列參數(shù)，同時運用數(shù)值模擬研究進行驗證[18-19]。

國內(nèi)學(xué)者在土體滲氣規(guī)律研究方面也做了大量研究工作，主要研究了黃土等滲氣性較好土的氣體滲透特性變化規(guī)律。由于我國對高放廢物地質(zhì)處置緩沖材料的研究起步較晚，對膨潤土的氣體滲透特性變化規(guī)律方面的研究較少。劉龍波等[20]對國內(nèi)3種膨潤土滲氣系數(shù)隨孔隙度與含水率的變化進行了研究。秦冰等[21]利用非飽和三軸滲氣儀研究了考慮Klinkenberg效應(yīng)的壓實高廟子膨潤土在較低氣壓加載條件下的滲氣特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滲氣系數(shù)小于10-14m2時，壓實膨潤土中的Klinkenberg效應(yīng)較為顯著，滲氣系數(shù)會隨氣壓力增大而降低，氣體滑脫因子隨Klinkenberg滲氣系數(shù)與體積含氣率之比的變化滿足冪函數(shù)關(guān)系，建立了考慮Klinkenberg效應(yīng)的高廟子膨潤土非飽和滲氣系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。汪龍等[22]研究了摻砂率、干密度和含水率對高廟子膨潤土-砂混合物滲氣特性的影響規(guī)律，在其研究范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)混合物的滲氣系數(shù)隨摻砂率增加呈指數(shù)形式增加，隨干密度和含水率增加呈指數(shù)形式降低；同時發(fā)現(xiàn)膨潤土-砂混合物的滲氣規(guī)律遵循Darcy定律，但較高的氣壓力梯度對滲氣系數(shù)值存在一定的影響。以上研究均認(rèn)為，在較低加載氣壓條件下，氣體在試樣中的滲透符合Darcy定律穩(wěn)態(tài)流的假設(shè)。

對于氣體產(chǎn)生及其遷移的研究，目前僅清楚地了解其機制，但有關(guān)其對整個高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)安全性影響的分析還需要大量的試驗數(shù)據(jù)，尤其是室內(nèi)小型試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)作依據(jù)[23]。而壓實膨潤土的氣體滲透系數(shù)低，測試難度大，對試驗儀器的精度和測量范圍要求高。膨潤土氣體滲透系數(shù)隨壓實干密度增加而降低，在一定的氣壓加載范圍內(nèi)，當(dāng)干密度較大(大于1.8 g/cm3)時，氣體很難從試樣中滲透。已有研究壓實試樣干密度較小(小于1.8 g/cm3)、加載氣壓范圍較小(不大于300 kPa)，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)和評價處置庫緩沖材料氣體滲透特性。

本文將針對壓實干密度為1.4～1.8 g/cm3的試樣開展相關(guān)研究，獲取更大加載氣壓(0～2 000 kPa)圍壓(0～9 000 kPa)范圍條件下的氣體滲透系數(shù)，為處置庫穩(wěn)定性分析和長期安全評價提供關(guān)鍵參數(shù)。

1 壓實膨潤土氣體滲透試驗

1.1 試驗儀器和試驗材料

試驗采用GDS全自動高壓三軸測試系統(tǒng)，主要由控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置、三軸壓力室、氣壓圍壓加載器等組成。可加載的最大圍壓為16 MPa，最大氣壓為2 MPa，體積分辨率為1 mm3，氣壓加載精度0.1 kPa，可實時檢測加載氣壓、圍壓以及氣體體積等參數(shù)。

試驗樣品是我國內(nèi)蒙古高廟子膨潤土礦床地下天然鈉基膨潤土，天然樣品自然風(fēng)干，含水量8%～9%，粉碎到-0.074 mm，在加工過程中，去掉了部分不易粉碎的雜質(zhì)礦物。樣品為淺灰白色，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和H2O為主。主要礦物為黏土礦物蒙脫石，伴生礦物為石英、長石和α-方英石。其礦物組成見表1。

表1 高廟子鈉基膨潤土物質(zhì)成分

樣品的陽離子交換容量為72.86 mmoL/100 g，可交換性陽離子以Na+為主，可達33.71 mmoL/100 g，其次為Ca2+和Mg2+，分別為23.66 mmoL/100 g和11.17 mmol/100 g，還有少量的K+。

1.2 試驗方法與計算公式

試驗采用圓柱形試樣，其基本尺寸為直徑D為50 mm、高度h為100 mm的規(guī)格。

試驗過程中，只控制進氣端氣壓q1，出氣端則直接與大氣相通，測定試驗在一定氣壓圍壓比(1∶2、1∶3、1∶5)加載條件下，分別測定不同加載氣壓(100 kPa、200 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、1 800 kPa)時，加載氣壓和氣體體積隨測試時間的變化值，利用計算公式，進而獲得膨潤土的氣體滲透系數(shù)，如式(1)～(3)所示。其中，試驗加載氣體采用氮氣。

(1)

(2)

Δp=P1-P2

(3)

式中：kg為氣體滲透系數(shù)；μg為氣體黏滯系數(shù)，實驗室采用的是氮氣；A為試樣橫截面積；V1為氣體體積；Δp為氣壓降，試驗選取10 kPa；Δt為時間間隔；pa為平均氣壓；p1、p2為試驗測定氣壓；H為試樣高度；patm為大氣壓。

2 試驗結(jié)果與分析

壓實高廟子膨潤土試樣在不同干密度(1.4 g/cm3、1.6 g/cm3和1.8 g/cm3)與不同氣壓圍壓比加載(1∶2、1∶3、1∶5)條件下，分別測定了不同氣壓(100 kPa、200 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、1 800 kPa)的氣體滲透系數(shù)，試驗結(jié)果列于表2～4。

表2 干密度1.4 g/cm3的試樣不同氣壓圍壓比的氣體滲透系數(shù)

表3 干密度1.6 g/cm3的試樣不同氣壓圍壓比的氣體滲透系數(shù)

表4 干密度1.8 g/cm3的試樣不同氣壓圍壓比的氣體滲透系數(shù)

2.1 加載氣壓圍壓對氣體滲透系數(shù)的影響

圖1所示為不同干密度的試樣在不同氣壓圍壓比條件下的氣體滲透系數(shù)，由圖可以看出，隨加載圍壓增大，氣體滲透系數(shù)逐漸減小。當(dāng)干密度為1.4 g/cm3時，隨氣壓圍壓比的減小，氣體滲透系數(shù)明顯減??；相同加載圍壓條件下，隨氣壓增大，氣體滲透系數(shù)增大(圖1(a)。當(dāng)干密度為1.6 g/cm3時，一定加載氣壓圍壓比條件下，隨加載圍壓增大，氣體滲透系數(shù)變化逐漸變小至趨向穩(wěn)定；加載氣壓為100 kPa時，加載圍壓越大，試樣氣體滲透系數(shù)越??；當(dāng)加載氣壓大于100 kPa時，相同加載圍壓條件下，隨氣壓圍壓比的減小，即隨氣壓增大，氣體滲透系數(shù)先增大后略有減小(圖1(b))。說明增大加載圍壓可有效避免試樣外壁氣體“滑流”行為，但過大會導(dǎo)致內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破壞，降低其氣體滲透性。干密度為1.8 g/cm3的試樣氣體滲透性變化規(guī)律(圖1(c))與1.6 g/cm3一致。

研究表明，壓實干密度較小，試樣內(nèi)部孔隙度高，氣體滲透性高，隨著加載圍壓增大，試樣內(nèi)部孔隙被壓縮，孔隙度降低，氣體滲透系數(shù)變小。當(dāng)試樣壓實干密度增大，內(nèi)部密實度達到一定程度后，再增大加載圍壓，對其氣體滲透性沒有太大影響。

本試驗研究表明，當(dāng)試樣尺寸為直徑50 mm、高度100 mm，壓實干密度在1.4～1.8 g/cm3時，測試大于200 kPa氣壓值的氣體滲透系數(shù)推薦氣壓圍壓比采用1∶3，既可有效避免試樣外壁氣體“滑流”行為，又可規(guī)避大圍壓對試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破壞造成的測試干擾，測量結(jié)果更準(zhǔn)確、真實。

圖1 不同氣壓圍壓比條件下的氣體滲透系數(shù)

2.2 壓實干密度對氣體滲透特性的影響及關(guān)系

圖2所示為不同壓實干密度試樣的氣體滲透系數(shù)，由圖2可以看出，隨干密度增大，試樣氣體滲透系數(shù)明顯減小。當(dāng)加載氣壓圍壓比為1∶3時，隨干密度增大，試樣氣體滲透系數(shù)逐漸減小，由10-15m2數(shù)量級減小到10-17m2數(shù)量級，當(dāng)干密度為1.4 g/cm3時，氣體滲透系數(shù)大小在10-15m2數(shù)量級，干密度為1.6 g/cm3時，氣體滲透系數(shù)大小在10-16m2數(shù)量級，干密度為1.8 g/cm3時，氣體滲透系數(shù)大小在10-17m2數(shù)量級(圖2(b))。

圖2 不同壓實干密度試樣的氣體滲透系數(shù)

圖3所示為加載氣壓100 kPa和500 kPa的試樣氣體滲透系數(shù)與干密度關(guān)系曲線，隨干密度增大，氣體滲透系數(shù)逐漸減小。擬合曲線見式(4)。

kg=a(ρd-2)2，a= 5×10-14

(4)

式中：kg為氣體滲透系數(shù)；ρd為試樣干密度。

圖4(a)所示為氣壓圍壓比1∶3時不同加載氣壓的試樣氣體滲透系數(shù)與干密度關(guān)系曲線，隨干密度增大，氣體滲透系數(shù)逐漸減小。擬合曲線見式(4)。

當(dāng)氣壓圍壓比為1∶5(圖4(b))時，試樣氣體滲透系數(shù)與干密度關(guān)系也同樣符合式(4)。

由式(4)可以看出，壓實干密度與氣體滲透系數(shù)為二次函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)壓實干密度較小(小于1.8 g/cm3)時，隨干密度增大，滲透系數(shù)逐漸減小，其主要原因是試樣壓實干密度越大，膨潤土顆粒排列越緊密，內(nèi)部孔隙度越小，氣體滲透系數(shù)越小。

圖3 加載氣壓100 kPa、500 kPa的試樣氣體滲透系數(shù)與干密度關(guān)系曲線

圖4 不同加載氣壓的試樣氣體滲透系數(shù)與干密度關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文針對不同壓實干密度的高廟子膨潤土，進行了不同加載氣壓圍壓條件下的氣體滲透試驗，獲得了壓實膨潤土試樣不同加載氣壓圍壓條件下的氣體滲透系數(shù)，獲得了壓實膨潤土干密度與氣體滲透系數(shù)關(guān)系，得出如下主要結(jié)論。

1) 氣體滲透系數(shù)與壓實干密度存在二次函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨壓實干密度增大，氣體滲透系數(shù)明顯減小，干密度由1.4 g/cm3增大到1.8 g/cm3，其氣體滲透系數(shù)從10-15m2逐漸減小到10-17m2數(shù)量級。

2) 氣體滲透性與加載氣壓圍壓也存在一定關(guān)系。一定加載氣壓圍壓比條件下，隨加載圍壓增大，氣體滲透系數(shù)變化逐漸變小至趨向穩(wěn)定；相同加載圍壓條件下，隨加載氣壓增大，氣體滲透系數(shù)呈現(xiàn)增大或先增大后略有減小。

3) 當(dāng)試樣尺寸為直徑50 mm、高度100 mm，壓實干密度在1.4～1.8 g/cm3時，測試較大氣壓值的氣體滲透系數(shù)時，推薦氣壓圍壓比采用1∶3。

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