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。     

大气条件下高庙子钠基膨润土化学缓冲特性研究

深地质处置目前被国际上公认为是处置高放废物的最有效可行的方法。我国采用多重工程屏障系统和适宜的地质体共同作用来确保与生物圈的安全隔离。缓冲材料是高放废物重要的工程屏障材料之一,我国选用高庙子钠基膨润土作为缓冲材料的基础材料。膨润土作为缓冲材料的一个重要性能表现为缓冲孔隙水的化学变化。介绍了GMZ-1钠基膨润土大气条件下与蒸馏水的反应试验,并对试验结果进行了讨论。批式试验反应溶液中钠离子来源于钠基膨润土层间阳离子和矿物溶解,镁离子来源于钠基膨润土层间阳离子,钾离子和钙离子来源于矿物溶解,相关研究认识对于高放废物处置库近场核素迁移研究和评价工程屏障的长期稳定性具有重要意义。     

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。     

高放废物地质处置中的工程材料

凡人类从事于与核材料有关的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物。高放废物由于具有放射性水平高、发热量大、核素寿命长等特点,其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。借鉴已有研究成果,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物罐及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的地质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。参照国际上该领域的研究成果,结合我国处置概念,本文就高放废物地质处置中的工程材料(废物固化体、废物罐、外包装、缓冲材料、回填材料),以及其材料选择、设计要求和研究重点等进行了总结。     

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。     

高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究

缓冲材料是高放废物深地质处置多重屏障系统中非常重要的一道人工屏障，内蒙古高庙子钠基膨润土被确定为我国高放废物深地质处置缓冲材料的首选基料。通过研究该钠基膨润土（GMZ01）在不同含水量条件下的压实成型性、不同压实干密度和不同含水量压实样品的无侧限压缩性能，认为：含水量为15％的高庙子天然钠基膨润土压实成型性最好，压实干密度越大，无侧限抗压强度越大；在无侧限压缩实验时，含水量为15％的高密度压实膨润土样品比含水量为10％和20％的样品的抗压强度大，变形小。     

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。     

高放废物深地质处置：回顾与展望

文章对我国高放废物地质处置研究的历史进行了回顾,并对未来发展进行了展望。我国的高放废物深地质处置研究开发从1985年开始,迄今为止可初步分为3个阶段：①起步和跟踪研究阶段（1985～1998）;②逐步发展阶段（1999～2005）;③政府规划指导阶段（2006至今）。20多年来,我国在国家法律法规、战略规划、选址、工程屏障、核素迁移研究等方面取得了显著进展。我国已经提出在2020年前建成地下实验室、21世纪中叶建成高放废物处置库的目标。研究开发和处置库工程建设分成3个阶段：试验室研究开发和处置库选址阶段（2006～2020）;地下现场试验阶段（2021-2040）和处置库建设阶段（2041～本世纪中叶）。经过全国筛选对比,已初步选定甘肃北山地区为重点预选区,系统的场址评价工作正在进行。已确定采用膨润土作为处置库的回填材料,并初步确定内蒙古高庙子膨润土为我国高放废物处置库的首选缓冲回填材料。工程设计、核素迁移研究和安全评价也取得了一定进展。1999年起与国际原子能机构开展了3期高放废物地质处置技术合作项目,对提高我国的技术水平起到了积极作用。20多年的研究开发工作为我国在21世纪完成高放废物地质处置任务奠定了基础。     

钠-蒙脱石地球化学性能模拟研究

膨润土已经被许多国家确定为高放废物深地质处置系统的缓冲/回填材料。钠-蒙脱石作为钠基膨润土的主要矿物,对钠基膨润土的地球化学稳定性能起着关键作用。以地球化学模拟软件PHREEQC和GWB为平台,对内蒙古高庙子膨润土的关键矿物——钠-蒙脱石在无氧和不同温度条件下的地球化学行为进行了模拟研究,分析了钠-蒙脱石在北山地下水体系中矿物成分、液相化学成分、pH值的长期演变规律。     

考虑膨胀效应UH模型的有限元实现

高庙子膨润土已被确定为我国高放废物地质处置的首选缓冲/回填材料,进行其力学特性及应用模拟研究对合理设计处置库具有十分重要的意义。考虑膨胀效应的UH模型是在超固结非饱和土本构模型（非饱和土UH模型）的基础上提出的,因引入了土体团粒的吸水膨胀作用,使其适用于非饱和膨润土。基于有限元软件ABAQUS的二次开发平台,利用Fortran语言编制模型的UMAT（user-difined material）材料子程序,进行了考虑膨胀效应UH模型的有限元实现。然后针对高放废物处置概念模型,利用编制的模型子程序对高放废物处置系统进行了三维有限元模拟,并对渗流场和应力场的演化规律进行了初步探究。模拟结果显示处置系统中膨润土的内应力增加,土体的稳定性较好,说明选择高庙子膨润土作为缓冲/回填材料的合理性,也同时验证了程序的正确性。     

混合型缓冲回填材料导热性能试验

为提高高放废物地质处置库中缓冲回填材料的导热性能,选用高庙子钙基膨润土和钠基膨润土为基础材料,添加不同比例的石英砂、石墨和沸石配置成混合型缓冲回填材料,运用瞬变平面热源法进行了不同含水率、不同干密度条件下导热系数的测试分析,并提出了混合型缓冲回填材料的建议配合比。结果表明,缓冲回填材料的导热性能随着含水率、干密度的增大而增大,各材料导热系数的大小排序为:石墨(M)石英砂(S)钠基膨润土(N)钙基膨润土(G)沸石(F)。石英砂和石墨作为添加剂可以极大地提高缓冲回填材料的导热性能,沸石对混合材料导热性影响不大,但其优良的吸附性与化学稳定性可为混合型缓冲回填材料其他性能提供保障。     

盐溶液法测定非饱和膨润土的水分特征曲线

对于高放废物的最终处置，深地质处置被国内外公认为最合适的方法，而膨润土也被认为是高放废物处置库缓冲回填材料的良好基质。鉴于膨润土各项性质研究的重要性。本文介绍了利用盐溶液法进行非饱和膨润土水分特征曲线的测定工作，发现盐溶液法适合测定吸力极高的非饱和土，是一种值得推广的方法。     

用于高放射性废物深地质处置的粘土材料研究

按照高放射性废物深地质处置库中缓冲材料的作用及要求，针对8个主要核国家采用的9种蒙脱石类粘土的样品来源、矿物成分、主要物理化学特征和热—水—力学性能进行分析比较发现：中国内蒙古高庙子膨润土蒙脱石含量较高，阳离子交换容量和比表面积较大，高庙子钙膨润土具有很好的不渗透性、高膨胀性和良好的导热性能。因此高庙子膨润土可作为中国高放射性废物深地质处置库缓冲材料的基料。     

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。     

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。     

类似物研究和矿物学问题

本文叙述了核废物地质处置研究领域中涉及天然和人为类似物研究中的一些矿物学问题。在自然界的天然玻璃、膨润土、晶质铀矿等分别作为高放废物玻璃固化体、高放废物处置库的缓冲／回填材料和乏燃料的天然类似物，考古遗址中的玻璃和青铜器文物作为人为类似物。通过这些天然非晶质结晶物质和人造制品的稳定性研究来预测未来10000－100000a间处置库中废物和缓冲／回填物质的变化，放射性核素迁移规律，为高放废物处置库的设计和建造提供重要科学依据，提高公众对高放废物安全处置的信心。     

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。     

高放废物处置库缓冲材料化学特性初析

高放废物的特点为放射性水平高,发热量大,并含有对生物极有害的α放射性的长寿命核素.深地质处置目前被国际公认为处置高放废物的有效方法.     

中国高放废物地质处置:现状和展望

本文阐述了中国的高放废物处置政策,回顾了中国高放废物地质处置在选址和场址评价、缓冲回填材料等方面的进展,提出了中国高放废物地质处置的初步规划,指出我国计划在2015年确定地下实验室场址.还展望了国际合作前景.     

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。