高效废物处置库的混合型缓冲回填材料压缩特性研究

高放废物处置库中缓冲回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的安全设计、施工及运营有重要影响。目前,国内初步考虑将膨润土-砂混合物作为缓冲回填材料的首选。采用WG型单杠杆固结仪,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物进行侧限压缩试验研究。试验结果表明：随着干密度的增大,压缩系数呈二次曲线减小;随着掺砂率的增大,压缩系数呈非线性增大。通过引入有效黏土密度和有效含水率的概念,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物的压缩系数进行解释,并根据试验数据得到了回归的数学模型,试图为缓冲回填材料的配比优化研究提供相关依据。     

混合型缓冲回填材料膨胀变形试验研究

选用高庙子钠基膨润土(GMZ001)为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内膨胀变形试验。结果表明：膨胀率随时间呈指数增长;掺砂率一定时,最大膨胀率随初始干密度的增大而线性增长;初始干密度一定时,最大膨胀率与掺砂率呈二次函数关系。引入有效黏土密度的概念对最大膨胀率进行计算,建立了任意掺砂率和初始干密度条件下膨润土-砂混合物最大膨胀率归一化模型,为混合型缓冲回填材料在高放废物地质处置中膨胀行为的预测与控制提供了依据。     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

缓冲／回填材料——砂-膨润土混合物研究进展

砂-膨润土混合物已被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。膨润土中加入砂可提高热传导系数和强度,维持适当的膨胀力,使其工程上易于处理并节省成本;但同时会导致其阻水能力和自愈性减弱。研究表明,影响砂-膨润土混合物以上各性质的主要因素为：砂/膨润土配合比、初始含水量、干密度等,它们综合决定着砂/膨润土最优配合比的选取。石英砂对混合物的渗透性、热传导性、强度等的影响,最优配合比选取,以及非饱和状态下吸力变化对混合物渗透性的影响等,应该是今后一段时间内砂-膨润土混合物研究的重点。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

内蒙古高庙子膨润土作为高放废物处置库回填材料的可行性

本文简述高放废物处置工程要求和缓冲／回填材料在高放废物深地质处置库中的作用及要求，介绍了内蒙古兴和县高庙子膨润土的性能，认为内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床可作为高放废物处置库回填材料的供给基地。     

中国高放废物深地质处置的缓冲材料选择及其基本性能

人类的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物,其中高放废物的安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视。目前深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法。借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的围岩地质体共同作用,来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国膨润土矿床筛选,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自高庙子膨润土矿床深部的钠基膨润土作为基本组成材料。本文介绍了高庙子膨润土矿床的地质特征以及高庙子钠基膨润土的基本特征。该膨润土与国外同类型材料相比具有蒙脱石含量高(75%左右)、杂质矿物相对较少的特点,该材料的系统和深入研究对于开发我国缓冲回填材料技术、确保高放废物的安全有效处置有重要意义。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

混合型缓冲回填材料膨胀力试验研究

与纯膨润土相比,混合型缓冲回填材料（膨润土与石英砂混合物）能够实现防渗阻隔能力、热传导性能、力学强度和可施工性能的最佳组合。选用高庙子钠基膨润土（GMZ001）为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂比分别为0、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内试验。结果表明,混合物的液限、塑限随掺砂率的增大而线性降低;膨胀力随时间呈指数增长。初始含水率较大时,最大膨胀力随初始含水率的增大略有降低。掺砂率一定时,最大膨胀力随初始干密度指数增长。提出了有效黏土密度的概念,建立了一定初始含水率条件下,任意掺砂率和初始干密度的高庙子膨润土-砂混合物最大膨胀力归一化模型,为混合型缓冲回填材料膨胀力的预测与控制提供了依据。     

含水率和添加剂对膨润土导热性能影响的研究

膨润土的热学性能是评价膨润土作为高放废物深地质处置库缓冲/回填材料的重要参数。高庙子膨润土矿床初步确定为我国缓冲/回填材料的供应基地,本研究以石英砂作为添加剂,通过实验获得了高庙子膨润土在不同含水率和不同砂含量时所对应的导热系数。结果表明,在相同压实条件下,导热系数随着含水率、石英砂含量的增加而增加。     

Performance evaluation of soil mixtures treated with graphite and used as barrier fill material for high-level radioactive waste repository

Buffer/backfill material is an important engineering barrier in a deep geological repository of high-level radioactive waste (HLW). Its thermo-hydro-mechanical (THM) performance is very important for the safe and stable operation of the HLW repository system. Natural graphite powder mixed with sodium bentonite forms a buffer/backfill material that can dissipate heat quickly and provide strong isolation. In this paper, the THM characteristics of bentonite–sand–graphite–polypropylene fiber (BSGF) mixtures, used as a buffer/backfill material, were studied through a series of laboratory tests. The influence of graphite and polypropylene fiber contents on thermal conductivity, swelling pressure, hydraulic conductivity, and strength properties of BSGF mixtures with different sand contents was analyzed. Experimental results indicated that the graphite content, the maximum graphite mesh number, and the initial dry density of bentonite–graphite mixtures influenced the thermal conductivity of bentonite–graphite mixtures. The addition of polypropylene fiber was found to enhance the shear strength and inhibit cracking without significantly affecting the expansivity, permeability, and thermal conductivity of the BSGF mixtures. This study provides a new buffer/backfill material that can improve the stability, functionality, and thermal efficiency of the HLW repository.

     

混合型缓冲材料砌块渗透性及其各向异性研究

缓冲材料砌块具备良好的防渗性能,是保证高放废物处置库封闭性的关键。缓冲材料砌块经单轴加载挤压成型,块体尺寸大,测试与评价其渗透性能的均匀性和各向异性,对缓冲屏障设计具有重要价值。研究制备不同干密度的混合型缓冲材料砌块,定向切割获得砌块内部不同位置、不同方向的小试样,开展刚性壁和柔性壁渗透试验,综合评价了混合型缓冲砌块不同方向的水力传导系数。研究结果表明：砌块干密度越大,砌块的水力传导系数越低。所有砌块的水力传导系数均处于10?10 cm/s数量级,沿砌块z、?、r方向的水力传导系数基本相等,表明砌块渗透性具有良好的均匀性和各向同性,且满足高放缓冲材料防渗要求。两种试验方法获得的渗透结果差异较小,柔性壁渗透条件下砌块产生10%～20%的体积膨胀,导致其水力传导系数略大于刚性壁下的平行试样。引入CT试验,分析了渗透前后砌块的微观特性变化。试验证实,在饱和渗透之后,以CT值显示的砌块密度分布趋于均匀,砌块内部存在的微裂隙愈合消失。     

高放废物地质处置研究中的矿物学问题

在高放废物地质处置研究中的一些矿物学问题应引起矿物学家的注意 。高放废物地 质处置库的缓冲/回填材料是选择以钠质蒙脱石为主要成分的钠基膨润土,还是以钙质蒙脱 石为主的钙基膨润土?怎样选择对99Tc、129I有较好吸附能力的硒汞矿、脆 硫锑铅矿和辉锑矿的替代物来作缓冲/回填材料中的添加剂,以能阻滞99Tc和129 I的迁移?沸石对某些放射性核素的吸附特征也需进一步研究。     

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室 尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架（China-Mock-Up）。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器（废物罐）运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。     

膨润土颗粒混合物的堆积性质与水-力特性研究进展

膨润土颗粒混合物是高放废物深地质处置库中的一种缓冲/回填材料,掌握其堆积性质与水-力特性是开展处置库安全性能评估的关键基础。本文全面回顾和总结了近年来国内外学者对膨润土颗粒混合物的堆积性质、持水特性、结构特征、渗透特性、胀缩特性及本构模型等方面的研究进展与取得的成果,展望了几个值得进一步研究的问题。结果表明,颗粒混合物的堆积性质与粒径级配密切相关;湿化过程中,颗粒混合物由初始松散结构逐渐转变为胶结融合结构,孔隙结构逐渐趋于均一化,并伴随着颗粒破碎和错动,进而影响其水-力特性。考虑到处置库实际运营环境的复杂性,颗粒混合物的原位填充技术以及多场(热-水-力-化)耦合条件下颗粒混合物的水-力特性是今后值得深入研究的方向。     

Study on the Themal Conductivity of Compacted Buffer/Backfill Materials

The thermal property is one of the key properties for the design of the high-level radioactive waste (HLW) repository. In this study, the thermal properties transient automatic tester (HPP-F) is uesd to study the thermal conductivity of multiphase composite buffer/backfill material including the type B-Z and B-Z-P (Here B、Z、P represents bentonite、zeolite and pyrite respectively,the same as in the following.) in different dry density and moisture conditions. The results show that for the same moisture content (dry density), thermal conductivity of specimens increases as the dry density (moisture content) increases. As a result, the type B-Z-P which is highly compacted of 1.8 g/cm3 in dry density and 17.65% in moisture content performs well, it meets the requirements of the IAEA and is easy to be compacted ,so it can be recommend as a alternative material of high level radioactive waste disposal repository buffer/backfilling materials.     

我国高放废物处置库缓冲／回填材料压实膨胀特性研究

本文研究了我国高放废物地质处置库缓冲／回填材料－内蒙古高庙子膨润土的压实、膨胀力和膨胀变形特性。实验结果表明，膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石含量有关，膨胀力与样品压实密度和蒙脱石含量有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。