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。     

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。     

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。     

中国高放废物处置库缓冲材料选择与基本性能

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。其中高放废物由于具有放射性水平高,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。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,高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自该矿床的深部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,这对系统和深入研究该材料以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具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Selection and Basic Properties of the Buffer Material for High-Level Radioactive Waste Repository in China

Radioactive wastes arising from a wide range of human activities are in many different physical and chemical forms, contaminated with varying radioactivity. Their common features are the potential hazard associated with their radioactivity and the need to manage them in such a way as to protect the human environment. The geological disposal is regarded as the most reasonable and effective way to safely disposing high-level radioactive wastes in the world. The conceptual model of geological disposal in China is based on a multi-barrier system that combines an isolating geological environment with an engineered barrier system. The buffer is one of the main engineered barriers for HLW repository. It is expected to maintain its low water permeability, self-sealing property, radio nuclides adsorption and retardation properties, thermal conductivity, chemical buffering property, canister supporting property, and stress buffering property over a long period of time. Bentonite is selected as the main content of buffer material that can satisfy the above requirements. The Gaomiaozi deposit is selected as the candidate supplier for China＇s buffer material of high level radioactive waste repository. This paper presents the geological features of the GMZ deposit and basic properties of the GMZ Na-bentonite. It is a super-large deposit with a high content of montmorillonite （about 75 %）, and GMZ-1, which is Na-bentonite produced from GMZ deposit is selected as the reference material for China＇s buffer material study.     

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.     

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。     

石墨−膨润土缓冲材料的最优配置方法

核废料封存到处置库后还会继续释放衰变热,需要加快热量向周边围岩消散,确保处置库处于安全运行状态。而提高缓冲层的导热性能成为解决该问题的突破口。将天然石墨粉掺入到钠基膨润土中,以期配置成导热速度快、隔离能力强的缓冲层回填材料。通过开展石墨?膨润土混合物的自由膨胀率、恒体积膨胀力、饱和渗透系数和导热系数等试验,研究石墨掺入率（Rg分别为5%、10%、15%、20%、30%、40%）和不同粒径（297、150、74、44 μm）对其水?力?热性能的影响规律。结果表明,掺入石墨后显著提高了膨润土的导热性能,但其提升幅度受石墨掺入率、初始含水率和初始干密度等因素影响。综合分析石墨?膨润土混合物的水?力?热性能参数,发现最优石墨掺入率处于15%～20%（质量比）范围内;相同石墨掺入率下石墨粒径为150 μm或74 μm时混合物的水?力性能最优。石墨?膨润土混合物压实后的孔隙分布显示,相同石墨掺入率下石墨粒径过大或者过小都易形成大孔隙。究其原因,天然鳞片状石墨呈扁平状,大部分膨润土颗（团）粒小于石墨,与石墨属于点?面接触方式。尤其是压实程度不高时,膨润土颗（团）粒和石墨接触面处存在大量的孔隙;而且石墨属于憎水性材料,对水分子的拖拽力弱,即使膨润土吸水膨胀后,水分也容易从石墨薄片表面处通过。     

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.

     

高庙子膨润土的吸湿性及结合水变化规律研究

膨润土易吸收空气中水分形成结合水。以高庙子膨润土为实验对象,研究了土样在不同烘干温度、烘干时间、环境相对湿度、土厚、表面积下的吸湿规律。研究结果表明：110℃烘干条件下,烘干8 h,土样质量可达到稳定;增加接触面积,不会增加其吸湿率;吸湿量与初始烘干温度以及环境相对湿度正相关。土样吸湿存在深度效应,越下层的土样吸湿能力越弱。4 mm深度以下土层对空气中水分子的吸附能力很弱,吸湿主要集中在上层。Peleg模型拟合吸湿过程较好。20 g膨润土在110℃烘干,再置于相对湿度55%和82%环境下吸湿,2 min时强结合水的吸收基本完成,受环境相对湿度的影响较小,吸湿平衡时自由水、弱结合水以及强结合水的含量分别为7.873%、0.749%、1.316%和9.408%、1.128%、1.412%,结合水膜厚度分别为5.56?和7.71?。