核廢物地質(zhì)處置緩沖/回填材料研究綜述

馬立平，韓永國

(西南科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽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，維護處置庫結(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，對輻射熱具有良好的熱傳導(dǎo)和擴散作用。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；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，核素在進入生態(tài)圈之前，有足夠長的時間把大部分核素衰變到無害水平；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的穩(wěn)定；良好的化學(xué)穩(wěn)定性；較好的機械緩沖性，能減弱、消散巖石因熱膨脹、變形等造成的對廢物容器的應(yīng)力，為廢物容器提供機械屏障；經(jīng)濟性，處置庫的緩沖材料應(yīng)經(jīng)濟價廉、資源豐富，以減輕高放廢物處置的費用。從20世紀70年代已經(jīng)開始，國內(nèi)外專家經(jīng)過大量的科學(xué)試驗和理論分析，一致認為以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土及其集成混合物作為緩沖/回填材料是最適合的材料，并對膨潤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、溫度對礦物相變的影響、核素的遷移、氣體的擴散、緩沖回填材料的制備和放置技術(shù)、熱傳導(dǎo)性、滲透性以及多場耦合方面進行了廣泛的研究。

1 國外研究現(xiàn)狀分析

1.1 膨潤土的材料篩選研究

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)熱性等是膨潤土選材的主要特性標準，而粘粒含量(小于2 mm)、蒙脫石含量、離子交換能力、有機物質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量和膨脹力等構(gòu)成主要篩選指標，其中蒙脫石含量常被作為選料的重要指標。至20世紀80年代末，世界上核能利用較為先進的國家在膨潤土作為緩沖/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的MX80(MX80是火山巖分解形成的Wyoming鈉蒙脫石粘土，由美國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土，并被國際原子能機構(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準粘土、法國的Fo-Ca(Fo-Ca是法國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)的鈉蒙脫石膨潤土)等[1]～[3]。

1.2 膨潤土的滲透性研究

在膨潤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，采用瞬時斷面法計算了高壓實膨潤土的滲透系數(shù)。隨后, Delage和Cui等人又發(fā)現(xiàn)膨潤土在水飽和條件下，其中水的傳導(dǎo)符合達西定律；而在水飽和之前，水的運動則可分液體運動和蒸汽運動兩種形式；當(dāng)含水量較低時，水的運動以蒸汽擴散為主，而當(dāng)含水量較高時，水的運動以液體運動為主；鈉基膨潤土比鈣基膨潤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-膨潤土為試樣，待試樣體積膨脹穩(wěn)定后，運用達西定律測定滲透系數(shù)，試驗表明回填材料砂-膨潤土的滲透系數(shù)隨著膨潤土的含量增多以及干密度的增大而降低[3]。但由于高壓實膨潤土非飽和滲透自身的復(fù)雜性，此項仍有待深入開展研究。

1.3 膨潤土的熱傳導(dǎo)特性研究

在膨潤土的熱傳導(dǎo)特征研究方面。膨潤土的熱傳導(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)。同一種膨潤土的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱隨壓實密度增大而增大；在相同壓實密度時，含水量越大，其熱傳導(dǎo)系數(shù)越高。在1983、1984年Moss和Molecke研究了膨潤土和石英砂的混合物的熱傳導(dǎo)率，結(jié)果認為，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，這是因為膨潤土的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠小于石英砂。而在混合物中，石英比例達到70%時，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)認為膨潤土的熱傳導(dǎo)率遠大于空氣的熱傳導(dǎo)率，從而壓實膨潤土能達到處置庫所要求的熱傳導(dǎo)率。因此，人們普遍認為：提高其熱傳導(dǎo)系數(shù)的最簡單方法就是在膨潤土中加入石英。目前，許多研究機構(gòu)對添加石英顆粒的大小和數(shù)量對熱一水一力學(xué)性能的影響正在進行研究。

1.4 膨潤土的多場耦合研究

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

在多場耦合理論研究方面。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耦合的熱-應(yīng)力模型和應(yīng)力-吸力模型。針對非飽和土的應(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等人分別對溫度場、滲流場、應(yīng)力場、化學(xué)場的多場耦合的建模理論進行研究，并取得一定的成果。在數(shù)值模擬及模擬程序設(shè)計方面，國外許多學(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，對于模擬熱、滲流、應(yīng)力、化學(xué)等引起的耦合問題都有一定的局限性。但總的來說，能全面反映耦合作用條件下，高壓實膨潤土的行為特征和核素遷移行為的研究成果仍然有限。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)在高放廢物地質(zhì)處置庫緩沖/回填材料方面的研究源于1985年，主要由中國核工業(yè)北京地質(zhì)研究院最早開展研究。自1985年以來，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，進行了地表鈣膨潤土基本性能研究；從2001年起開展了深部鈉膨潤土的基本性能研究；2003年劉月妙等人[8]按照高放射性廢物深地質(zhì)處置庫中緩沖材料的作用及要求，參照8個主要核國家采用的9種蒙脫石類粘土的樣品來源、礦物成分、主要物理化學(xué)特征和熱—水—力學(xué)性能進行分析比較發(fā)現(xiàn)中國內(nèi)蒙古高廟子(GMZ)膨潤土蒙脫石含量較高，陽離子交換容量和比表面積較大，同時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，針對內(nèi)蒙古興和縣高廟子膨潤土開展進一步的研究工作，并且也把它作為我國高放廢物深地質(zhì)處置緩沖/回填材料的基料。

2.1 膨潤土的特性研究

在膨潤土的特性研究方面。2001年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的劉月妙等人[8]對未經(jīng)提純處理的天然高廟子膨潤土，進行了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，并對試樣進行了差熱分析、熱重分析及掃描電子顯微鏡觀察，研究了其壓實、膨脹力和膨脹變形等特性；2003年劉月妙等人[8]又對高廟子膨潤土的物理化學(xué)特性進行了分析，結(jié)果表明其蒙脫石含量可高達80.9%，具有高陽離子交換能力和膨脹能力；同年，采用高壓固結(jié)儀進行膨潤土的膨脹力實驗，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，在高壓實膨脹土水化過程中，體積膨脹主要來源于膨脹土集合體結(jié)構(gòu)中集合體之間的大孔的擴張。

2.2 膨潤土的滲透性研究

在膨潤土的滲透性方面。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，并用該儀器對壓實膨潤土進行滲透性試驗研究，發(fā)現(xiàn)用于高活度放射性廢物深地質(zhì)處置的壓實膨潤土，其滲透系數(shù)要求低于10～11 cm/s；1998年，沈珍瑤等人[11]進行了高壓實膨潤土脫濕一吸濕過程試驗，結(jié)果表明吸濕過程中試樣孔隙比變化大于脫濕過程；從2005年開始，葉為民等人對膨潤土的緩沖性能進行了大量實驗[9]。通過試驗發(fā)現(xiàn)，高壓實膨潤土初始壓實密度越大，膨脹勢越大，通過理論分析發(fā)現(xiàn)處置庫運行狀態(tài)下的密實度是動態(tài)變化的，它與緩沖/回填材料的初始密實度、吸力以及人工屏障形成過程中可能發(fā)生的變形量等相關(guān)，且在吸濕過程中，隨著吸力的變化而變化，密實度的變化會反過來影響到非飽和緩沖/回填材料的滲透性，因此，密實度、土水特征是影響高壓實膨潤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控制吸力技術(shù)，通過土水特征曲線測定試驗、環(huán)境掃描電鏡和壓汞試驗，研究高壓密高廟子膨潤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 膨潤土的熱傳導(dǎo)特性研究

在膨潤土的熱傳導(dǎo)特性性能方面。2003年劉月妙等人[8]對內(nèi)蒙古興和縣高廟子(GMZ)膨潤土的熱傳導(dǎo)系數(shù)進行了測定，結(jié)果表明熱傳導(dǎo)系數(shù)與土的壓實壓力和含水量成正比；2006年溫志堅研究了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鈉基膨潤土具有蒙脫石含量高(75%左右)，雜質(zhì)礦物相對較少的特點。

2.4 膨潤土中放射性核素遷移規(guī)律研究

在膨潤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]進行了開放環(huán)境下GMZ膨潤土對核素90Sr、137Cs和239Pu的吸附實驗，結(jié)果表明，pH值、反應(yīng)溫度和核素濃度對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，但90Sr的吸附比隨溫度的升高而增大，在低濃度時，吸附比隨濃度的增加而增加，高濃度時則相反，三種核素平衡吸附濃度約為10-5mmol/L；2004年，易發(fā)成等人[12]對四川三臺鈣基膨潤土的基本物化性能和對Pb2+,Co2+離子的吸附性能作了初步的研究，通過實驗得出膨潤土對重金屬離子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]對高放廢物處置庫近場熱-滲-力耦合條件下核素遷移及多場耦合問題進行了大量研究，特別考慮了緩沖/回填層中溫度梯度水分擴散、水蒸汽擴散對水連續(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，并針對試驗資料，使用所開發(fā)的有限元程序?qū)σ粋€核廢料處置概念庫近場的熱-滲-力耦合過程進行了數(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))，新疆阿爾泰膨潤土對Sr2+、Cs+的吸附性能影響；2011年，西南科技大學(xué)的易發(fā)成、周敏娟等人對新疆阿爾泰膨潤土土水特征進行室內(nèi)試驗研究，結(jié)果表明新疆阿爾泰膨潤土具有極強的吸水性和膨脹性，但其持水性能低于內(nèi)蒙古高廟子膨潤土，其原因可能與塑性指數(shù)大小有關(guān)，對于體積受吸力變化影響較顯著的膨潤土，宜用重力含水量表達其土—水特征曲線；2012年[14]，陳正漢等人對混合緩沖/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)用進行了的研究。目前國內(nèi)關(guān)于膨潤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工作。

3 結(jié)語與展望

縱觀國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及進展，對膨潤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：①至20世紀80年代末，世界上核能利用較為先進的國家在膨潤土作為緩沖/回填材料的選材方面的工作均已基本完成；②由于高壓實膨潤土非飽和滲透自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致膨潤土作為緩沖/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，許多研究機構(gòu)對添加石英顆粒的大小和數(shù)量對熱一水一力學(xué)性能的影響正在進行研究；④深地質(zhì)處置中，化學(xué)特征對高壓實膨潤土緩沖性能的影響是極其復(fù)雜的，而國內(nèi)外對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，高壓實膨潤土的行為特征的多場耦合研究成果仍然有限，還有待深入進行；⑥由于我國高放廢物深地質(zhì)處置方面的研究工作總體起步較晚，除基本完成膨潤土的選材工作外,總的還處在膨潤土基本物理化學(xué)性質(zhì)、土水特性、熱傳導(dǎo)、滲流的研究階段；⑦在熱、滲、力多場耦合條件下核素在膨潤土中遷移規(guī)律研究方面可參考的研究成果還不多見。

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