中国高放废物处置库缓冲材料物理性能
高放废物地质处置库的特点及其结构型式
高放废物地质处置库的特点及其结构型式
罗嗣海;钱七虎;王驹
【期刊名称】《地质科技情报》
【年(卷),期】2007(26)5
【摘要】总结了高放废物地质处置库在系统组成、经费投入、时间跨度、功能要求、评价目标、作用营力、影响范围、工程数量、工程布局、工程逆转和社会影响等方面有别于一般深部岩石地下工程的特点。
以美国、瑞典、日本、比利时、法国的处置库概念设计为例,介绍了各国处置库的结构型式,比较了其异同点,并对我国的处置库概念设计提出了初步建议。
【总页数】8页(P83-90)
【关键词】高放废物地质处置库;特点;结构型式
【作者】罗嗣海;钱七虎;王驹
【作者单位】江西理工大学;解放军理工大学;核工业北京地质研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TU9;X7
【相关文献】
1.高放废物地质处置的岩体深部结构面特征研究——以甘肃北山高放废物地质处置地下实验室工程为例 [J], 王锡勇;李冬伟;成功;罗鹏程
2.内蒙古塔木素高放废物地质处置库三维地质建模研究 [J], 许文军; 邓居智; 陈晓; 陈辉; 王显祥; 王彦国; 刘星
3.地应力对高放废物黏土岩地质处置库洞室群稳定性影响的数值模拟 [J], 王聪; 李洪辉; 段谟东; 江春雷; 张家铭
4.高放废物黏土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质 [J], 饶耕玮;刘晓东;刘平辉;戴朝成;梁海安
5.高放废物深地质处置库屏障系统的多场耦合数值分析 [J], 赵艺伟;吴志军;王旭宏;侯伟;杨球玉;吕涛;胡大伟;周辉;魏天宇
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高庙子膨润土的水理性能
高庙子膨润土的水理性能摘要:缓冲-回填材料是高放废物地质处置库多重屏障系统重要组成部分,经过全国范围内的比较和筛选,内蒙古兴河县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。
针对缓冲回填材料的性能要求,对内蒙古高庙子膨润土的水理性质进行了系统的实验研究。
通过与其它各地的膨润土的水理性能比较,内蒙古高庙子膨润土在水中具有良好的膨胀性、分散性和水化能力。
关键字:高能废物;地质处置库;缓冲回填材料;水理性能1 前言高放废物的安全处置是一个世界性的科学与技术难题, 是一个与核安全同等重要的问题, 也是关系到我国国防军工和核能工业可持续发展、国土环境和公众安全的重要而紧迫的重大课题。
当前, 我国已经开展了高放废物地质处置选址和场址评价、处置工程和工程材料等重大科学问题的研究。
图1 高放废物深地质处置库多重屏障系统示意图1.1高庙子钠基膨润土的物质组成蒙脱石是TOT型二八面体层状结构硅酸盐矿物,结构层为两层硅氧四面体片夹一层Al-O(OH)八面体片配合而成。
硅氧四面体片和八面体片的厚度均为0.22 nm士,所构成的结构层约0.66nm士(图1)。
层间域与水化阳离子层的厚度约0.60 nm士(钠蒙脱石)和0.8 9n m 士(钙蒙脱石)。
每一结蒙脱石是 TOT型二八面体层状结构硅酸盐矿物,结构层为两层硅氧四面体片夹一层Al-O(OH)八面体片配合而成。
硅氧四面体片和八面体片的厚度均为0.22 n m 士,所构成的结构层约0.66构层与层间域(含水化阳离子层)构成一重复周期,这一重复周期即为蒙脱石的结构单元层(图2),厚度为1.25 nm(钠蒙脱石)~l.5 nm(钙蒙脱石)。
结构层内为共价键与离子键联结,结构联结紧密,结构层之间为弱的离子键和氢键相联结。
结构层间具有可交换的水化阳离子层,其中的水分子可被其他与水分子类似的极性分子如有机极性分子所交换,而阳离子可被无机或有机阳离子所交换。
因而蒙脱石可通过钠化及有机化处理达到使蒙脱石结构分散剥离的目的。
温度对膨润土及其混合物性质的影响
温度对膨润土及其混合物性质的影响杜延峰;崔素丽;王学攀【摘要】在高放废物地质处置工程中,放射性废物的衰变发热会导致处置库环境温度升高,从而影响缓冲回填材料-膨润土及其混合物的工程性能。
综合已有文献的试验数据,分析总结了温度对膨润土及其混合物性质的影响。
结果表明温度升高会影响膨润土的微观结构,包括孔隙比和孔径分布;同时也会改变膨润土及其混合物的工程性质,包括持水能力、膨胀性质及强度特性。
【期刊名称】《陕西理工大学学报:自然科学版》【年(卷),期】2017(033)006【总页数】5页(P50-54)【关键词】高放废物;膨润土及其混合物;温度影响;工程性质【作者】杜延峰;崔素丽;王学攀【作者单位】西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;【正文语种】中文【中图分类】TU411电站反应堆产生的乏燃料中有大量的放射性元素,具有较高的放射性,如不妥善处理,将严重威胁到周围环境以及人类的生命财产安全,这就需要把这些乏燃料与生活空间隔离开。
针对如何处理高放射性废料,专家学者纷纷提出了各自的处置方案,目前普遍认为深部地质处置是最有效、最可行的方法。
深部地质处置一般采用的是多重屏障的方法,最外层是由基岩组成的天然屏障,内层是由缓冲回填材料组成的工程屏障,从外到内依次为基岩、缓冲回填材料、废物包装容器、废物固化体。
膨润土因具有优良的物理、化学特性而被普遍选为缓冲回填层的基材。
核废料在处置以后因为衰变会不断的产生热能导致周围温度升高,而升高的温度可能会对作为缓冲回填材料的膨润土及其混合物的性质产生影响。
本文总结前人的研究成果,综合分析已有文献的试验数据,从膨润土自身性质、水力性质、力学特性等方面,研究温度对膨润土及其混合物工程性质的影响。
1 温度对膨润土结构影响1.1 对微观结构的影响膨润土是由蒙脱石族矿物组成的粘土物质。
高庙子膨润土作为缓冲/回填材料的研究进展
处环境等因素综合考虑 , 冲/ 缓 回填材料需满足的条 件为¨ : J长斯稳 定性 、 学 性 、 胀 性 、 透 水性 、 力 膨 低 核
素迁移 的迟滞性 、 热传 导性 、 耐辐 射性 和经 济性 。通 过多年 的研 究发 现 , 蒙脱 石 为 主 要 成 分 的高 压 实 以 钠基膨 润土是最合 适 的高放 射性 核废 料深 地质处 置 缓 冲/ 回填 材料 , 它具有 以下 优 点 [ : 1 低渗 透性 , 2 () 1
膨润 土作 为缓 冲/ 回填 材 料 的可 行 性 。本 文 主要 对
由高放废物固化体 、 人工屏障和天然屏障组成 , 高放 废物 固化体外 面 的包 装 容 器 和缓 冲/ 回填 材 料统 称
为人 工屏 障。从高放 射性 废物 的性 质 以及处 置库所
高庙子膨润土作 为缓 冲/ 回填材料 的研究进展作了
1 矿 物组 成 、 观 结 构 及 其 变化特 征 微
膨 润 土的矿物 组 成和微 观结 构决定 了膨润 土的
性质 。膨润 土 中的蒙 脱石含 量越 多 , 亲水性越强 , 其 胀缩性 越 大 。微 观结 构决定 膨润 土 的膨 胀与收缩性 以及强 度特性 。因此 , 研究 膨润 土 的矿 物组成 、 微观
刘月妙… 等人 对未经提纯处理 的天然高庙子
膨 润土样 品 , 进行 了 x 射 线 衍 射 分 析 、 外 光谱 分 红 析、 化学全 分析 、 x射 线 荧 光 稀 土元 素 分析 等 , 结果 显示 : 高庙 子膨 润 土主要 矿物 为蒙脱 石 , 为方石 其次 英, 丝光沸 石 和正 长 石 。高 庙 子 膨润 土 蒙脱 石含 量 较 高 , 6 .7 ~8 . 2 。 化 学 成 分 以 SO 、 为 37% 0 9% i,
国内外高放废物地质处置的介绍及国内进展
国内外高放废物地质处置的介绍及国内进展摘要:本文介绍了高放废物的类别、国内外高放废物地质处置的概念、及其主要技术问题的研究。
最后,简要介绍了国内在高放废物地质处置方面的规划、选址、进展情况。
关键词:高放废物;地质处置1引言核科学技术在给人类社会带来巨大能源的同时也产生了大量的放射性废物,核废物的安全处理与最终处置在很大程度上影响着核能产业的未来和生命力。
按照放射性水平的不同,核废物通常可分为高放废物(HLW)、中放废物(ILW)和低放废物(LLW),其中尤以高放废物的处理与处置最为困难。
按照美国核管会(NRC)1981年的定义,核电站高放废物主要包括下列两类:核电站卸出的不经处理的乏燃料高放废液的固化体在这两类高放废物中,其主要核素有锶、铯、钚、镅、镎等超铀元素。
由于这些超铀元素的半衰期长、放射性毒性大、放射性水平高、发热量大,需要把它们同人类生存环境长期、可靠地隔离。
世界上十多个国家对高放废物处置曾提出过多种方案,如太空处置、海洋处置、冰层处置及地质处置等等,多年来,通过分析和对比,许多发达国家对高放废物地质处置的安全性和现实性达成共识,我国也于2003年颁布了《中华人民共和国放射性污染防治法》规定对高放废物和α废物应当采用集中的深地质处置方法,这使得高放废物地质处置成为开发时间最长,也是目前最有希望投入应用的处置方案[1]。
本文将主要介绍国内外高放废物地质处置的理念和关键技术问题的研究开发进展,以及我国在这方面的规划、选址、进展情况。
2.高放废物地质处置的基本概念和基本方法2.1、高放废物地质处置的基本概念高放废物地质处置是一项将放射性核素包容、阻滞为核心内容,并设多重屏障为主要手段的复杂系统工程,它主要利用土壤、岩石等地质材料,采用地质手段及一整套设施将高放废物封闭在一个有限的地质空间内,在存贮数百年乃至上千年的时间段里,与人类生存环境长期或永久的隔离,不再取回。
目前国内外最为广泛且易接受的高放废物地质处置概念是三重屏障系统[2],即高放废物存储容器、人工回填材料层[3]和天然屏障。
高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究
[ 键 词 ] 高 放 废 物 ;深 地 质 处 置 ;钠 基 膨 润 土 ;压 实 成 型性 ;抗 压 强 度 关 [ 章 编 号 ] 1 0—6 8 2 0 ) 20 9-5 文 0 00 5 (0 70 —0 10 [ 图 分 类 号 ] X 9 中 51 [ 文献 标 识 码 ] A
( . 京科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ,北 京 1 0 8 ;2 1北 0 0 3 .核工 业 北 京 地 质 研 究 院 ,北 京 1 0 2 ) 0 0 9
[ 要 ]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 摘 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
2 ,预 定 压 实 干 密 度 分 别 为 1 4 1 6和 O .、 .
1 8 g e 。 . / r 。 a
试验 表 明 ,压 制 预 定 密 度 的 样 品所 需 的
中国高放废物处置库缓冲材料选择与基本性能
ef cie w y t aey d s o i g h g —e e a ia t e w se n t e w rd h o c p u l mo e f f t a o s f l ip sn ih lv l r d o c i a t s i h o l .T e c n e t a d lo e v v g oo i a ip s l i h n s b s d o l — a re y tm h tc mb n s a s l t g g o o ia e l gc l d s o a n C i a i a e n a mu t b rir s se t a o i e n ioa i e lg c l i n e v r n n t n e gn e e a r rs se n i me twi a n ie r d b ri y tm.T e b f r i n ft e man e g n e e a ir o o h e h u f s o e o h i n i e r d b r e s fr e
frChn ’ u frmae i l t d . o i a S b f t r u y e a s
Ke y wor :Ga mi o iNa— e t nt ds o a z b n o ie;b f rma e a ; b scp o e y; n c e rwa t s o a ufe tr l a i r p r i t u la se dip s l
全 有 效处 置 具 有 重要 意 义 。
[ 键 词 ]高 庙 子 钠基 膨 润 土 ;缓 冲材 料 ;基 本 性 能 ;核 废 物 处置 关
hih e e a o c i e wa t e st r g lv lr dia tv se r po io y
高放废物地质处置库系统分析方法研究——以甘肃北山预选区花岗岩场址为例的开题报告
高放废物地质处置库系统分析方法研究——以甘肃北山预选区花岗岩场址为例的开题报告研究背景与意义:高放废物是指放射性元素超过自然界背景水平的废物。
由于其具有长期危险性和极高的放射性,因此需要进行安全的处置。
地质处置被认为是目前最可行的方法之一,即将废物封存在地表以上1000米深的岩层内,形成高放废物地质处置库。
然而,高放废物处置的安全性受到多种因素的影响,如地质条件、地质构造、深度等,因此需要对高放废物地质处置库进行系统的分析和评估。
研究对象及内容:本文以甘肃北山预选区花岗岩场址为例,对高放废物地质处置库系统进行分析方法研究。
研究内容包括以下几个方面:1.高放废物地质处置库系统构成分析:包括地质构造、岩石类型、水文地质等方面的分析,以建立高放废物地质处置库系统构成的分析体系。
2.高放废物地质处置库系统安全性评价方法:根据高放废物地质处置库系统构成的分析体系,建立相应的高放废物地质处置库系统安全性评价方法,包括系统可靠性分析、安全等级评估、灾害风险评估等。
3.风险因素分析:对高放废物地质处置库系统可能存在的风险因素进行分析,包括地震、泄漏、离子迁移等因素,以确定高放废物地质处置库的安全性。
研究方法:本文采取文献资料法、实地调查法、模拟实验法等研究方法,具体包括以下几个方面:1.文献资料法:分析国内外已有的高放废物地质处置库研究文献,了解现有的研究进展和存在的问题,为本研究提供理论支持。
2.实地调查法:通过实地考察和采样,获取甘肃北山预选区花岗岩场址的有关地质数据,并建立地质模型和地质图,为高放废物地质处置库系统分析提供基础数据。
3.模拟实验法:利用专业的模拟实验设备对高放废物地质处置库系统进行模拟实验,以验证系统的可行性和安全性。
研究意义:本研究将为高放废物地质处置库系统的安全性评价提供理论支持,为相关政策制定、建设和管理提供参考,具有重要的理论和实践意义。
同时,本研究也可推动高放废物地质处置库系统分析方法的研究,促进相关领域的学术进展。
高放废物处置库缓冲回填材料热-水-力耦合研究进展
第35卷第20期甘肃科技Vol.35No.20 2019 年 10 月Gansu Science and Technology Oct. 2019高放废物处置库缓冲回填材料热-水-力耦合研究进展+赵亮、刘平1△,焦大丁\杨鸿锐\王家杰1 (1兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州730000; 2西部灾害与环境力学教育部重点实验室(兰州大学),甘肃兰州730000)摘要:用于高放废物处置库中的缓冲回填材料,在处置库运行期间产生的热-水-力耦合作用下,其性状发生改 变,这将对缓冲回填材料的防护性能产生重要影响,进而引发一系列安全稳定性问题。
因此,关于缓冲回填材料热- 水-力耦合研究愈来愈受到广泛关注。
在总结和分析国内外有关膨润土热-水-力耦合作用研究的基础上,从温度 场、应力场和变形场等方面对当前的研究成果进行了归纳和总结,在此基础上指出,基于室内试验及数值模拟研究 成果,开展深层地下现场试验研究是该领域当前发展的重要趋势,相关研究可为处置库运行时热-水-力耦合行为 预测及处置库的规划、设计及建造提供理论参考。
关键词:高放废物;缓冲回填材料;热-水-力耦合;温度场中图分类号:TU4431概述随着核工业的发展,核废料的安全处置受到世 界范围内的广泛重视。
深地质处置法是国际上广泛 采用的处置方法叱即把高放废物深埋于距地表500~1000m的稳定地层中,并采用多重屏障体系进 行阻隔,从内向外依次是:废物固化体,废物包装容 器,缓冲/回填材料以及围岩。
经过国内外大量研究,认为膨润土是理想的缓冲/回填材料M。
通过对比分 析,内蒙古兴和县高庙子膨润土被确定为我国首选 高放废物处置库缓冲/回填材料'由于高庙子膨润土蒙脱石含量较高,影响其导热性能I故向膨润土 中添加一定比例的石英砂,在不显著影响膨润土自 身性能的前提下,提高其导热性能,降低温度对材料 性能的影响。
处置库封闭后,高放废物长期衰变放 热,导致缓冲/回填材料及围岩温度升高产生热应 力;温度场及应力场重新分布,使地下水流方向发生 变化,膨润土吸水膨胀,产生膨胀应力;地下水流动 影响温度变化,而温度变化又影响地下水流动,膨润 土受热应力及水压力共同作用,形成复杂的热-水- 力耦合现象。
高放废物粘土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质
高放废物粘土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质摘要:高放废物(高水平放射性废物)的安全处置问题变得日益紧迫,目前国际认可的处置方法是深地质处置,即通过地质屏障(围岩)与工程屏障相结合的多重屏障系统实现永久隔离放射性废物,从而达到保障人类生命健康和环境安全的目的。
因此对高放废物地质处置库的围岩研究成为安全处置废物的重要评价指标之一。
关键词:高放废物;黏土岩;物理特征;力学性质引言采用单一纤维对水泥基材料进行改性时,可采取增加纤维掺量、增大纤维直径或长度的方式提高水泥基材料的强度和韧性。
但此类方法受到一定的制约,如基于纤维三维乱向分布增强水泥基复合材料,纤维掺量过大时,不能均匀地分布在基体里,反而会影响材料强度与韧性;采用合适长径比的纤维能够提高水泥基材料的韧性,而纤维直径太小时,纤维与水化产物之间的粘结性能较差,导致基体韧性提升效果较差;纤维长度太长时,不能在混凝土中均匀分布,且搅拌时会出现结团现象,影响纤维性能的发挥。
采用混在纤维对水泥基材料进行改性,可以充分发挥每种纤维的优势,实现强化的目的。
高延性低干缩的混杂纤维增强延性水泥基复合材料具有较高的韧性,为此,本文以混杂纤维为例,分析不同条件下混杂纤维增强延性水泥基复合材料的吸声性能。
1研究区概况塔木素位于中国内蒙古高原西部,地势总体呈现西高东低,平均海拔约为1300m。
北部有巴彦诺尔至额济纳旗的铁路,交通较为便利,且人烟稀少,经济相对落后(主要依靠畜牧业和周边的矿产业),常年干旱少雨,蒸发强烈,区内水系不发育,从运输和经济人文角度评价适合作为高放废物地质处置选址区域;预选区地处巴音戈壁盆地内,属天山地槽褶皱系和华北地台的过渡区域,南临狼山-白云鄂博台缘坳陷带及华北地台阿拉善台隆,北部为天山地槽褶皱系中北山晚期华力西褶皱带。
盆地呈近东西向展布,以宗乃山-沙拉扎山隆起为界分为南北两个拗陷,北部拗陷包括查干德勒苏拗陷、苏红图拗陷和拐子湖拗陷,南部拗陷包括银根拗陷和因格井拗陷,且构造多属控盆构造,从地质角度看没明显活动构造,满足安全处置的基本要求。
我国高放废物地质处置概念研究
高放废物具有放射性强、毒性大、半衰期长等特点,其安全处置是关系到核能可持续发展、环境保护和子孙后代福祉的重大问题,地质处置是国际上公认的安全可靠、切实可行的处置方式[1]。
2003年发布实施的《中华人民共和国放射性污染防治法》明确规定高放废物实行集中的深地质处置。
2006年,国防科工委、科技部和国家环保总局共同发布的《高放废物地质处置研究开发规划指南》[2]明确了处置库研究开发及工程建设的三个重要阶段。
我国于1985年开始开展高放废物处置库的选址工作,研究确定甘肃北山(花岗岩岩体)为适宜最终处置高放废物的地区。
我国对黏土岩地质高放废物处置库的研究尚处于初步调研阶段,目前尚没有筛选出可作为高放废物地质处置库合适的预选场址。
我国提出了在2020年建成首座高放废物处置地下实验室和2050年建成首座处置库的规划目标。
但我国现阶段的处置工程相关技术和安全全过程系统分析研究相对滞后,已不能满足计划中的地下实验室处置工艺试验研究的进度要求。
本文基于对国外地质处置技术先进国家地质处置工艺方案的深入研究,根据我国深地质处置废物源项情况和我国高放废物地质处置库预选场址的具体条件,提出我国高放废物深地质处置方案,为我国高放废物深地质处置提供参考和建议。
01废物源项根据我国法律规定和目前产生的废物现状,将我国需要进行深地质处置的对象设想如下[2]:1)压水堆乏燃料。
根据国家核电发展规划以及预计的后处理能力,压水堆乏燃料将有很大一部分需要直接处置。
另外还有环铀氧化物混合(MOX)燃料和田湾核电站的水-水高能反应堆(VVER堆型)产生的乏燃料。
2)高放玻璃固化体。
通过玻璃固化技术将乏燃料后处理过程中产生的高放废液转化成高放玻璃固化体,它们在地表暂存一段时间后(约40~50 a),也将运往处置库进行深地质处置。
3)高放固体废物。
经过整备后进入地质处置库进行最终处置。
4)重水堆乏燃料。
现贮存在水池中的秦山三期坎杜型重水堆的乏燃料,还没有后处理的计划,初步考虑将暂存的重水堆乏燃料直接进行深地质处置。
中国高放废物深地质处置(英文)
中国高放废物深地质处置(英文)
王驹;苏锐;陈伟明;郭永海;金远新;温志坚;刘月妙
【期刊名称】《岩石力学与工程学报》
【年(卷),期】2006(25)4
【摘要】介绍了中国高放废物地质处置计划的背景、初步技术战略和长远规划。
中国的高放废物地质处置研究始于1985年,计划于21世纪中叶建成国家高放废物处置库。
位于我国西北甘肃省的北山地区被选为最有远景的处置库预选区。
1999~2004期间,在该区开展了初步的场址特性评价研究,包括地表地质、水文地质和地球物理调查、4口钻孔(北山1#,2#,3#及4#孔)的施工及钻孔现场试验,并获得了大量成果。
在缓冲回填材料、放射性核素迁移以及天然类比等方面也取得了进展。
【总页数】10页(P649-658)
【关键词】高放废物;地质处置;北山场址;长远规划;场址评价
【作者】王驹;苏锐;陈伟明;郭永海;金远新;温志坚;刘月妙
【作者单位】核工业北京地质研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TL942.21
【相关文献】
1.中国高放废物深地质处置研究 [J], 王驹;徐国庆
2.中国高放废物深地质处置的缓冲材料选择及其基本性能 [J], 温志坚
3.高放废物深地质处置库屏障系统的多场耦合数值分析 [J], 赵艺伟;吴志军;王旭宏;侯伟;杨球玉;吕涛;胡大伟;周辉;魏天宇
4.高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法研究进展 [J], 李露露;周志超;邵景力;崔亚莉;赵敬波
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高放废物处置北山预选区深部完整岩石基本物理力学性能及时温效应
岩石力学与工程学报
2007 年
北山深部完整岩石的颗粒密度随深度变化情 况如图 2 所示,似斑状二长花岗岩随深度没有明显 变化,颗粒密度为 2.64~2.71 g/cm3。英云闪长岩的 颗粒密度为 2.67~2.87 g/cm3,其均匀性低于似斑状 二长花岗岩。这是由于部分岩性段的英云闪长岩含 浅色矿物较多,颗粒密度较小;部分岩性段的英云 闪长岩含深色矿物较多,颗粒密度较大的缘故。伟 晶岩含浅色矿物较多,其颗粒密度最低,为 2.60~ 2.62 g/cm3。
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respectively,the elastic modulus increases with temperature increasing to about 70 ℃,and then decreases a little with the temperature increasing higher;the crack damage stress linearly decreases and Poisson′s ratio linearly increases separately with the temperature increases. The steady state creep strain rate increases and the time to failure response at the same stress ratio reduces with the temperature increasing. The time to failure increases rapidly as the constant load decreases. The axial creep strain increases and time to failure of granite at the same stress ratio increases rapidly when confining pressure increases. Key words:high-level radioactive waste(HLW);deep geological disposal;granite;physico-mechanical properties; time-temperature effect
国防科工委、科技部、环保总局关于印发高放废物地质处置研究开发
国防科工委、科技部、环保总局关于印发高放废物地质处置研究开发规划指南的通知【法规类别】环保综合规定【发文字号】科工二司[2006]145号【发布部门】国防科学技术工业委员会(已撤销)科学技术部国家环境保护总局(已撤销) 【发布日期】2006.02.14【实施日期】2006.02.14【时效性】现行有效【效力级别】XE0303国防科工委、科技部、环保总局关于印发高放废物地质处置研究开发规划指南的通知(科工二司[2006]145号)各有关单位:为进一步推动我国高放废物地质处置研究工作,全面、系统、科学和协调地部署研究开发工作,在综合分析我国高放废物地质处置研究面临的形势和存在的问题的基础上,经过广泛征求意见,编制完成了《高放废物地质处置研究开发规划指南》(以下简称《指南》),现予发布。
该《指南》提出了我国高放废物地质处置研究开发的总体思路发展目标,研究开发规划纲要及“十一五”期间的主要任务等。
请各单位围绕《指南》确定的总体思路和发展目标以及“十一五”期间的主要任务和研究内容,结合本单位实际情况,开展相关研究工作。
国防科工委科技部环保总局二00六年二月十四日高放废物地质处置研究开发规划指南(国防科学技术工业委员会、科学技术部、国家环境保护总局二ОО六年二月)目录一、需求分析二、国内外发展概况2.1 国外高放废物地质处置概况2.2 国内研究与开发现状三、总体思路四、发展目标五、研究开发规划纲要5.1 试验室研究与场址选择阶段(2006-2020年)5.2 地下现场试验阶段(2021-2040)5.3 原型处置库验证实验和处置库建设阶段(2040-本世纪中叶)六、“十一五”期间的主要任务与研究内容6.1 “十一五” 期间的主要任务6.2 “十一五” 期间主要研究内容七、政策与措施7.1 加强研发资源配置7.2 加强科技管理体制和机制建设7.3 加强部门合作7.4 加强国际合作为了在本世纪中叶妥善解决高放废物安全处置问题,保护人类和环境,为核工业可持续发展创造条件,需要启动国家级高放废物地质处置研究开发规划,全面、系统、科学、协调地部署研究开发工作。
高放废料地质处置缓冲材料砌块制备设备研
高放废料地质处置缓冲材料砌块制备设备研随着工业得的大力发展,环境问题日益严重,能源匮乏问题也日益突出,核能作为一种良好的替代能源,得到了广泛的发展。
然而核工业所生产出的高放废料却对环境有着极其严重的危害,如何安全有效地处理这些核废料就成为了一个十分重要的问题。
目前为各国所广泛接受并进行研究的可行的方案是深层地质处置法,作为关键的回填缓冲材料——膨润土,其所具有的特殊性质使以其为主要材料的砌块的制备有着不同于一般砌块制备的工艺与条件。
本文主要对膨润土砌块的制备工艺及设备的研究进展作简要的综述。
关键词:高放废料;深层地质处置;膨润土-砂混合物;制备设备第一章绪论1.1 研究背景核科学起源于20世纪前半叶,至今已发展了半个多世纪,随着其不断发展,核科学技术不仅在国防科技上有所应用,在工业、农业、医疗等领域也有着广泛的应用。
随着工业化的进一步扩大,传统能源日益匮乏,对于稳定而强大的替代能源的需求日益迫切,核能因技术相对成熟,能量巨大,经济性好而成为应用广泛的新型能源。
然而核工业在带来好处的同时,产生的核废料也带来一系列环境问题。
按放射性大小不同,核废料可分为低放废料,中放废料和高放废料。
高放废料指放射性核素的含量或浓度高,释放的热量大,操作和运输过程中需要特殊屏蔽的放射性废物。
高放废料的体积虽然只有核燃料所产生废料的1%,但其放射性却占所有废料的99%,而且高放废料中的放射性核素如镎、钚、镅、锝、碘、锶、铯等,半衰期长达万年。
因此如何将其安全有效地与生物圈隔离,并持续足够长的时间成为一大难题。
世界各国对高放废料的处置提出过很多想法,如海洋处置、海岛处置、冰盖处置、岩石熔化处置、深地质处置等,经过大量研究,目前为国际社会广泛接受的方法是深层地质处置法。
高放废料深层地质处置法是指将高放废料埋藏在距地表500至1000米的岩层中,使之与地表生态环境完全隔离,并永久封存。
埋藏高放废料的地下设施称为高放废物深地质处置库,它是一个多重屏障体系[5],从内往外依次是固体废弃物、金属罐、缓冲回填材料、岩层。
高放废物处置库热问题研究进展_潘小青
江西理工大学学报JournalofJiangxiUniversityofScienceandTechnology第35卷第5期2014年10月Vol.35,No.5Oct.20140引言根据世界核协会(WNA )网站提供的资料,截至2013年6月1日,全球共有30个国家运行着434台核电机组,总净装机容量为373.892GWe ;13个国家正在建设67台核电机组,总装机容量为69.709GWe ;27个国家计划建设159台核电机组,总装机容量为174.34GWe ;37个国家拟建设318台核电[1],由此带来放射性废物的处理和处置也成了重大的安全和环保问题.尤其是高放废物因放射性核素含量高、释热量大、毒性大及半衰期长等因素,其安全处置是核能可持续发展的重要保障.目前国际上通用的做法是对高放废物进行深部地质处置,即将高放废物经过处理后放置于地下深部地质体中,通过构建工程屏障和天然屏障一起实现高放废物与人类以及生态环境的长久隔离[2].处置库工程屏障包括废物体构成、包装容器、收稿日期:2014-09-08基金项目:江西省教育厅科技资助项目(GJJ11467)作者简介:潘小青(1966-),女,教授,主要从事计算物理、力学等方面的研究,E-mail:panxqecit@.文章编号:2095-3046(2014)05-0023-05DOI:10.13265/ki.jxlgdxxb.2014.05.005高放废物处置库热问题研究进展潘小青,李玉晓,魏望和(江西理工大学理学院,江西赣州341000)摘要:高放废物处置库有最高温度限制,影响处置库最高温度的条件包括处置库布局、处置单元参数、缓冲回填材料和围岩的热参数.以KBS-3处置库为例,讨论了废物罐组成、热功率、罐表面材料热容和热导率,给出了缓冲材料膨润土的热导率变化特点,花岗岩的热物理性质及热演化过程的研究结果.根据KBS-3处置库布局,分别总结了数值法和解析法求解处置库温度场的计算结果,以及结果的不确定性,最后介绍了我国高放废物处置库热问题研究的最新成果.关键词:高放废物处置库;温度场;热性质;解析法中图分类号:X771文献标志码:ADevelopment of thermal problem research in HLW repositoryPAN Xiaoqing,LI Yuxiao ,WEI Wanghe(School of Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)Abstract:The maximum temperature in HLW repository is limited.The maximum temperature is influenced by the repository layout,the geometric dimention of the disposal unit and the thermal parameters of buffer and backfill and the host rock.Construction of the canister,heat released power,thermal conductivity and capacity of the canister is given in KBS-3.The property that thermal conductivity of Bentonite as the buffer changes with saturation and the thermal parameter of the host rock are discussed.The temperature field calculated by means of numerical calculation and the analytical solution in KBS-3repository is introduced.The uncertainty of the temperature analysis is given.The recent research on thermal problem in China HLW repository is surveyed.Key words:HLW repository;temperature field;thermal property;analytical solution缓冲回填材料、处置巷道、处置硐室,天然屏障为场址围岩,如盐岩、硬岩或粘土.由于高放废物自发衰变放出大量热量,热传输将引起处置库工程中的工程屏障和天然屏障内部温度升高,温度升高的幅度与处置库的结构形式、处置巷道间距、废物体放置密度及废物体放热量、工程材料和围岩的热参数等因素有关,因此高放废物处置库结构设计中需要对处置库热量传输及温度场问题进行研究.1高放废物处置库热物理性质1.1处置库最高温度限制每个废物罐因核废物的放射性衰变而放热,放出的热量随时间按指数规律衰减,所有废物罐释放出的总热量在处置库内部和周围形成一个三维的随时间变化的温度场.处置库温度的升高和逐渐冷却会引起岩石热体积变化,从而改变处置范围内岩石的应力分布.岩石受热后,高温岩体热膨胀量大,低温岩体热膨胀量小,因而约束了高温岩体的膨胀,从而产生热应力.由于岩体工程内部各部分温度分布不均匀,造成内部温差,产生热应变,进而影响处置库力学的稳定性.大范围的温度场会影响岩石间隙和裂隙中水的运动,同时造成热应力场.地下水的运动由于温度产生的热梯度以及潜在的岩石结构断裂而受影响.热应力可改变流体密度、粘度及工程屏障系统的材料的成分和孔隙性质等.核素在地质介质中的运移规律是放射性废物处置的核心问题,处置库温度的升高会对放射性核素迁移产生重要影响.温度在很多化学、生物和物理过程中都是重要的参数,微生物环境也受温度的强烈影响[3-4].总之处置库内部温度场变化应控制在一个相对的温度范围内,使温度不至于太高或太低,重要的变化只能出现在极端的温度,在处置库深处应避免极端温度的出现.废物罐附近的温度是一个重要的设计参数,尤其是最高温度.欧洲和加拿大提出的废物体表面许可温度为100℃;日本提出废物体的限制温度为500℃;瑞典规定废物体表面最高温度为100℃,实际设计时采用80℃;美国处置库中的温度范围在废物体表面为85~160℃.一般采用缓冲回填材料的处置库,废物体表面最高温度限制在100℃以内[5].1.2处置库温度场的影响因素热量传输的模式主要是热辐射、热传导和热对流,在处置库中则主要是废物罐自发热辐射、热量通过热传导传播.热传导由岩石的热导率、密度和热容决定.这些参数随空间变化,这种变化在远场大范围内是较小的,因而可看作均匀的.但在废物罐附近由于包装材料、缓冲回填材料及岩石和间隙等空间变化会引起温度明显的不同.单个废物罐的热输出依赖于如废物体的数量和组成、暂存时间、衰变热功率和衰变常数,也与所选的封装策略、封装方法有关.处置库的温度变化还依赖于处置罐的放置密度、放置方式、工程屏障的热性质、间隙和孔洞的大小、地质围岩的基础温度和热性质.处置库温度场分布所需参数包括处置库布局、处置单元几何参数及热参数三部分.1)处置库布局:主要是处置库的深度、处置库库容、处置库面积、处置区域、处置巷道截面、巷道长度、巷道间距等.2)处置单元参数:包括处置坑直径、处置坑高度;废物罐直径、高度、胴部厚度;缓冲回填材料厚度、废物罐和缓冲回填材料间隙宽度、缓冲回填材料和处置主岩之间的间隙宽度等.3)热参数:包括废物体的热功率、热流量;废物罐、缓冲回填材料及处置主岩的导热系数、体积热容、初始温度、热边界条件/温度梯度等.2处置库工程材料热物理性质高放废物深地质处置库热问题研究成果国际公认最好的是瑞典的KBS-3处置库.瑞典核燃料与废物管理公司科研人员对乏燃料组成、热功率、热衰变模式、废物罐材料结构、形状、热参数、缓冲材料热力水耦合研究、围岩热力水耦合性能、各种间隙对热传输和温度场的影响进行了大量理论研究并取得一系列原型实验结果,文中对此进行概述.2.1废物罐热物理性质瑞典的核燃料一般运行25~40年后退役,退役后的乏燃料经过平均30年的暂存再进行封装和地质处置.KBS用热量计对乏燃料组件的热功率进行了准确测定[6],从而使核废物的热功率值更加合理.废物体的热功率随时间按指数规律衰减,对暂存40年的废物体,其表达式为[7]:Q0(t)=1547·(0.070e-0.05t+0.713e-0.02t-0.051e-0.005t+0.231e-0.002t+0.024e-0.0005t-0.009e-0.002t+0.022e-0.00005t)公式中热量Q0单位为瓦特,时间t以年计,式中各江西理工大学学报2014年10月24项为乏燃料中不同成分的衰变热功率.公式适用于处置3000年内的热量计算,如果处置1000年只需考虑前4项即可.当研究的暂存年限不太长时,废物体热功率随时间没有明显的变化.如暂存30年与暂存40年的废物罐相比其表面温度仅相差1°C ,因此废物罐热功率根据暂存时间可设为相应的常量[7].废物罐内衬铸钢,外面为铜包装,每个罐作为独立的热源其热导率390W/(m ·K ),体积热容2.40MJ/(m 3·K),由于金属的热导率远大于缓冲材料和岩石的热导率,因此可认为废物罐热量均匀分布[8],废物罐表面中心处的热流是平均表面热流的92%.当处置时间较长时,根据叠加原理总的温度变化等于废物罐内各部分热源产生的温度变化之和.若设Q 1和Q 2分别表示总热源中任两个成分,分别引起的温度为T 1和T 2,则由Q =Q 1+Q 2产生的温度为T 1+T 2[9].2.2缓冲材料热物理性质膨润土作为缓冲材料填充在废物罐与围岩之间,它的作用在于:其一可固定废物罐在处置硐室的中心位置,其二可在岩石出现破坏时从力学上保护废物罐体,其三可防止地下水和腐蚀性物质进入废物体,其四可有效吸附废物体释放的放射性核素[10].在处置库热分析中膨润土的热导率对温度场产生很大影响.多项研究表明膨润土的导热系数与矿物种类即化学组成、孔隙比、含水饱和度等有关,可通过模型实验得到,膨润土热导率具体数值已总结出很多经验公式[11-13].干燥的膨润土热导率较小,含水饱和度越高热导率越大,完全饱和的膨润土热导率1.35W/(m ·K ).饱和度相同的膨润土其热导率随孔隙比的变化在0.1~0.3W/(m ·K )之间,具体改变量与饱和度有关.实验研究表明,在膨润土中主要的导热方式是热扩散,因而处置库中热导率不同的膨润土在处置过程中的最高温度变化很大.热导率1.35W/(m ·K )的完全饱和膨润土中的温度可比热导率1.0W/(m ·K )的膨润土中的温度低10°C ,而相对干燥的饱和度为10%的膨润土其热导率0.75W/(m ·K ),处置过程中的最高温度可达80°C 以上[14-15].膨润土所处的岩石结构不同会使地下水渗流特性不同,膨润土达到完全饱和的时间不同,分别处在完整岩石和稀疏破碎的岩石中膨润土的最高温度会相差15°C [16].2.3围岩热物理性质高放废物地质处置库选择的天然屏障一般为盐岩、花岗岩或粘土,作为处置库工程的最后一道屏障,其受热源影响产生温度的升高和降低会使岩石的力学性质发生变化从而影响其力学稳定性.大多数国家选择花岗岩为地质围岩,SKB 在Forsmark 地区的花岗岩的地质调查中测量了岩石温度从地表到处置区深度的地温梯度,地下500m 深处岩石的原始温度为11.6°C.实验发现,花岗岩的热导率会随温度变化,当温度由20°C 上升到100°C 其热导率会减小10%到15%,平均有效热导率在最高温度50°C 时约减小0.1(W/m ·K ).花岗岩的导热系数也随岩石类型不同而有差异,从3.2W/(m ·K )到4.0W/(m ·K )不等,通常取3.6W/(m ·K ).花岗岩的体积热容为2.1MJ/(m 3·K )[17-19].3处置库热分析3.1瑞典KBS-3概念库结构瑞典共有12个核反应堆,运行25年和40年分别产生6500t (26800根沸水堆组件和3100根压水堆组件)和9500t 乏燃料(39500根沸水堆组件和4900根压水堆组件).处置罐由铸铁内衬和铜外壳组成,放置12根沸水堆组件或4根压水堆组件时总重约25t ,内含燃料约2t.瑞典的高放废物概念处置库分为KBS-3V 和KBS-3H 两种处置模式.KBS-3V 为垂直处置模式,如图1所示,整个处置库为长2L 宽2B 面积约1km 2(6.25×6000m 2)的矩形区域.处置的废物罐埋放于地下500m 深度,处置罐高度4.8m ,直径1.05m ,废物罐将放于宽度D =6m 的平行巷道下方的垂直孔洞中,巷道间距D ′=25m.处置孔深度8m 、直径1.75m.在废物罐与岩石之间填充0.35m 厚的膨润土为缓冲材料,在处置期罐与膨润土间存在5~10mm 的间隙,膨润土与岩石之间间隙约30~50mm [19].KBS-3H 为水平处置模式.废物罐放置于巷道第35卷第5期潘小青,等:高放废物处置库热问题研究进展图1KBS-3V 处置库结构(右图为左图虚框放大细节)2L2BD ′D25两侧的水平钻孔中,设置的巷道直径为1.85m,废物罐用膨润土包裹依次放置在圆柱形钢筒内,平行放置的废物罐中间放膨润土定距块加以隔离.钢筒容器外半径1.765m,与岩石间隙42.5mm.钢筒上打有孔洞以利于膨润土吸收间隙中的液态或汽态水达到饱和.水平处置模式同一巷道放置的废物体数量是竖直处置模式的两倍,但处置巷道间距的尺寸都比KBS-3V的大[20].3.2处置库热演化模型处置库内热源为暂存30~50年的废物罐,由于处置时废物罐表面与缓冲回填材料及围岩之间的初始温差,热量传递的方式包括热辐射、热传导和热对流.地下深处流体进入处置区域引起对流传热可以忽略不计,当废物罐、缓冲材料、岩石间间隙较大时,热辐射的影响将需考虑.而主要的传热方式是热传导,热传导形成的热梯度诱发周围介质的热应力和热应变(T→M耦合),温度的升高会改变水的粘度和流动性,导致膨润土内地下水流动(T→H耦合),同时潮湿度的改变引起膨润土的膨胀或收缩上使之产生力学变形(H→M耦合),而变形引起的裂隙和孔隙变化反过来影响地下水的流动性(M→H耦合)[21].3.3KBS处置库温度场3.3.1温度场数值计算根据高放废物处置库的温度限制及热传递特性,工程屏障几何参数设计都是基于热问题中最高温度设计要求,采用不同的研究方法得到温度场从而判定各种间距的可行性.研究温度场的主要方法有两种———数值法和解析法.Thunvik和Braester[22]应用数值计算讨论了不同巷道间距和废物罐间距时的处置罐表面最高温度.结果表明,巷道间距每减小10m,罐的最高温度上升约7°C;而在巷道间距保持30m时废物罐间距由6.2m减小到5m,罐的最高温度可上升约18°C.通过有限元程序ANSYS对处置库及周围的热传输过程进行模拟计算[23-24],当考虑环境参数和燃料数据、各种间隙的影响造成温度的不确定性,可将废物罐表面最高温度设置为80℃;瑞典的三个处置库处置的废物罐数量随地质环境不同,平均暂存年限30年.计算结果表明废物罐最小允许间距为6.0m,另外处置时间1000年时废物罐热量很少到达地表,这时岩石的峰值温度早已过去,废物罐表面温度在处置10~20年间达到最高.当将废物罐、缓冲材料膨润土间隙10mm及膨润土与岩石间隙50mm列入计算过程中,分三种不同情况:空气间隙、湿空气、水间隙模拟计算温度场,并设每个罐原始热输出1800W,得到位于中心的罐表面温度最高,且间隙为干燥空气填充时在处置4.5年时温度最高达90.3°C,而间隙为水填充的在处置第5年罐表面达到最高温度为79.5°C.为湿空气填充的在处置第2年达最高温度85.8°C,且在第5年下降到79.5°C,这表明湿空气间隙在2年后慢慢变成与水间隙相同[25].3.3.2温度场解析求解温度场的解析解将处置库的温度场看成原温度场与由废物罐放热而产生的温度场叠加而成,即原始岩石温度+处置孔洞温度增量+废物罐与岩石间隙的热流和热传输造成的附加温度.用解析法可得到KBS-3竖直处置库废物罐表面最高温度,用解析法和数值法相结合可计算KBS-3水平处置概念库的废物罐表面温度[26-28].解析法求解附加温度可将罐作线源处理,它的值与处置罐半径、岩壁半径、二者间距及罐中心辐射热通量及岩壁与罐之间的有效热导率有关.通过数据计算,KBS-3H库罐-膨润土之间空气间隙会造成11~13°C的温度升高,KBS-3V库内部间隙则引起9~13°C的温升.KBS-3V罐表面温度大约在15~30年间达到峰值.Harald H觟kmark和Billy F覿lth[19]应用修正的解析表达式计算的罐表面温度与数值法的结果偏差0.2°C,Harald H觟kmark和Johan Claesson[6]应用温度场解析解计算了围岩的温度,计算用时间仅数分钟,计算速率远大于数值法.3.3.3温度场的不确定性废物罐的位置不在巷道中心,无论基于轴对称模型的数值法还是解析法最高温度估计会偏离2°C.间隙中热对流的忽略最多不超过3.5°C的温度偏离.罐表面与膨润土间隙中的热辐射相抵可造成7.5°C的温度偏差.膨润土热导率的过高预期大约造成2°C的温度偏离.岩石热容的高估可能造成1°C的温度偏离,而岩石热导率非线性最大会造成5°C的误差[19].4中国高放废物处置库热问题研究概况中国高放废物地质处置以甘肃北山为处置库预选场址,高放废物为玻璃固化体废物罐,废物罐的材料为低碳钢.通过钻孔测量地下500m深处地温为19°C,地温梯度为2.2°C/100m.通过岩心实江西理工大学学报2014年10月26第35卷第5期潘小青,等:高放废物处置库热问题研究进展验测量岩石的导热系数随温度增加面减小,平均2.6W/(m·K).膨润土块的导热系数完全饱和时为1.52W/(m·K),完全干燥时为0.1~0.3W/(m·K)[29-30].刘文岗等[31]对在一定废物罐热源功率下处置库罐间距及温度进行了模拟计算.赵宏刚等[30]对处置库进行了热分析,问题设定高放废物处置库的库容为82630个废物罐,处置库的最小面积为10km2,处置区域分为4个,每个处置区域具有300对处置巷道,每对处置巷道长度为900m,处置巷道间距为9.5m,每对处置巷道处置80个废物罐,废物罐的间距为9.5m[30].设定废物罐最高温度为100°C,分别用数值法和解析法进行了温度场计算,表明废物罐表面最高温度受废物罐热功率影响最大,与工程材料和围岩的热性质、间距、工程布局以及内部间隙等相关[31-32].参考文献:[1]伍浩松,王海丹,郭志峰.世界核电现状[J].国外核新闻,2013(6):1-5.[2]潘自强,钱七虎.高放废物地质处置战略研究[M].北京:原子能出版社,2009.[3]Johan Andersson,Karl-erik Almen,Lars O Ericsson,et al.Parameters of importance to 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高放废物地质处置中的工程材料
高放废物地质处置中的工程材料
温志坚
【期刊名称】《世界核地质科学》
【年(卷),期】2009(026)001
【摘要】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.
【总页数】6页(P43-48)
【作者】温志坚
【作者单位】核工业北京地质研究院,北京,100029
【正文语种】中文
【中图分类】TL942+.2
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缓冲材料参数对核废料处置库近场影响的二维有限元分析
缓冲材料参数对核废料处置库近场影响的二维有限元分析秦爱芳;赵飞;赵小龙【期刊名称】《上海大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(018)005【摘要】以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验作为数值计算模型,利用有限元软件Code-Bright,通过改变膨润土初始渗透系数、初始吸力和初始进气值,得到热-水-力(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合作用下处置库关闭后缓冲层饱和度和吸力的变化规律,以及以上3个因素对这些性状影响的敏感程度,研究结果可为核废料处置库缓冲材料的选取提供参考.%The FEBEX in-situ test for geological disposal of high-level radioactive nuclear waste is used as a calculation model. By changing the initial permeability, the initial suction and the air entry value, variation of saturation, and suction under the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) action are analyzed using a Code-Bright program after the closure of nuclear waste repository. By analyzing sensitivity of the three parameters on these traits, valuable reference is presented for the selection of buffer materials of the nuclear waste repository.【总页数】6页(P539-544)【作者】秦爱芳;赵飞;赵小龙【作者单位】上海大学土木工程系,上海200072;上海大学土木工程系,上海200072;上海大学土木工程系,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TU443【相关文献】1.放射性三废处理、处置技术——核废料处置概念库近场热-水-应力耦合二维有限元模拟 [J], 张玉军2.热源对核废料处置库近场性状的影响 [J], 秦爱芳;王海堂;赵小龙3.核废料处置库近场的热-水-力耦合分析 [J], 张大斌;李子善;4.核废料地质处置近场热—水—应力—迁移耦合二维有限元分析 [J], 张玉军5.核废料处置概念库近场热-水-应力耦合二维有限元模拟 [J], 张玉军因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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第25卷第4期岩石力学与工程学报V ol.25 No.4 2006年4月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April,2006PHYSICAL PROPERTY OF CHINA′S BUFFER MATERIAL FOR HIGH-LEVEL RADIOACTIVE WASTE REPOSITORIESWEN Zhijian(Beijing Research Institute of Uranium Geology,China National Nuclear Corporation,Beijing100029,China)Abstract:The deep geological disposal is regarded as the most reasonable and effective way to safely dispose high-level radioactive wastes(HLW) in the world. The conceptual model of HLW geological disposal in China is based on a multi-barrier system that combines an isolating geological environment with an engineered barrier system including the vitrified HLW, canister, overpack and buffer/backfill material. The bentonite is selected as base material of the buffer/backfill material in HLW repositories,due to the very low permeability and excellent retardation of nuclides from migration,etc. GMZ deposit is selected as the candidate supplier for buffer material of HLW repositories in China. Since 2000,systematic study was conducted on GMZ–1 that is Na-bentonite produced from GMZ deposit and selected as reference material for Chinese buffer material study. The mineral composition,basic parameters of GMZ–1 bentonite and thermal conductivity,hydraulic conductivity,unconfined compression strength as function of dry density and water content are presented. The swelling stress of GMZ–1 bentonite as function of dry density is also reported. GMZ–1 bentonite is characterized by high content of montmorillonite(about 75%) and less impurities. The adequacy understanding of property and long-term behavior in deep geological condition of GMZ–1 is essential to safe dispose the high-level radioactive wastes in China.Key words:high-level radioactive wastes disposal;GMZ–1;buffer material;physical propertiesCLC number:TL 942+.21 Document code:A Article ID:1000–6915(2006)04–0794–07 中国高放废物处置库缓冲材料物理性能温志坚(核工业北京地质研究院,北京 100029)摘要: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。
中国深地质处置的概念模型采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器、外包装、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。
经过全国筛选,高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地。
从2000年起,对产自该矿床的钠基膨润土GMZ–1开始了系统的研究工作。
介绍了GMZ–1的矿物组成、基本特征和GMZ–1在不同干密度、不同含水量条件下的热传导、水传导、力学性能参数及GMZ–1在不同干密度条件下的膨胀特性参数测定结果。
GMZ–1Received date:2005–08–30;Revised date:2005–12–20Corresponding author:WEN Zhijian(1968–),male,Ph. D.,obtained his bachelor degree at Department of Geology,Peking University,Beijing in 1990. He is presently the professor at Research Center for Environmental Protection,Beijing Research Institute of Uranium Geology. His main research activities第25卷 第4期 WEN Zhijian. Physical Property of China ′s Buffer Material for High-level Radioactive Waste • 795 •钠基膨润土具有蒙脱石含量高(75%左右)、杂质矿物相对较少的特点,对于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。
关键词:高放废物处置;高庙子膨润土;缓冲材料;物理性能1 INTRODUCTIONRadioactive waste is produced from a wide rangeof human activities. The wastes are in many different physical and chemical forms ,contaminated with varying activities of radionuclides. High-level radioactive waste(HLW) is characterized with very high initial radioactivity ,and presents a potential long-term risk ,even though it decreases with time ,Total activity is initially dominated by beta/gamma emitting short- lived fission products that decay considerably over several decades to hundreds years. Over a longer timescale ,the longer-lived actinides and their radioactive daughters(many of them are alpha- emitters) make a more significant contribution to total activity. The safe disposal of high-level radioactive waste is a key requirement of the nuclear industry worldwide.Among the options discussed for disposing of HLW ,an international consensus has emerged that deep geological disposal on land is the mostappropriate means for isolating such wastes permanently from environment [1]. The concept of geological disposal of high-level radioactive wastes in China is based on a multi-barrier system that combines an isolating geological environment with the vitrified HLW ,canister ,overpack and buffer/ backfill material(Fig.1).Fig.1 Conceptual model for China ′s high-level radioactivewaste disposalThe buffer is one of the main engineered barriers for HLW repository. It was early concluded that clay-based embedment of canisters and backfill indrifts and shafts offers the best isolation through the low hydraulic conductivity and canister supporting ability of such materials. Assessment of the various properties had led to the conclusion that montmorillonite- rich clays are most suitable for preparing the buffer material. Bentonite would appear to fulfill the criteria placed on the buffer material in a deep repository for high-level nuclear waste [2–4]. The buffer material isexpected to maintain its low water permeability ,thermal conductivity ,self-sealing ,radionuclide sorption and retardation ,chemical buffering ,canister support and stress buffering properties over a long period of time [5].The scientific scope of buffer/backfill materials study is summarized by the author ,as shown in Fig.2.In China ,from 1985 on ,Chinese scientists began to study the bentonite ′s behavior and its feasibility as buffer material in HLW repository. The related scientific activities cover literature investigation anduse of inorganic sorbents as backfill materials forunderground repository [6],bentonite deposit screening [7],study of basic property of GMZ Ca-bentonite [8] and GMZ Na-bentonite [9] and comparison study of basic property between GMZ –1 and KunigelV1 bentonite [10]. GMZ deposit is selected as a candidate buffer supplier in China in 1996[7] and GMZ –1 Na bentonite was selected as a reference material for Chinese buffer/ backfill study in 2002[9].2 GMZ –1 BENTONITEGMZ –1 bentonite is Na-bentonite produced from GMZ deposit and selected as reference material for Chinese buffer material study.The mineralogical composition of GMZ –1 has BackfillRock massRock massCanister B u f f e rV i t r i f i e d w a s t e G r o u n d w a t e r• 796 • 岩石力学与工程学报 2006年Fig.2 Scientific scope of buffer/backfill materials studyanalyses. The bulk composition was determined as :quartz 11.7%,cristobalite 7.3%,feldspar 4.3%,calcite 0.5%,kaolinite 0.8%,and montmorillonite 75.4%.The basic feature of GMZ –1,the reference material for Chinese buffer/backfill material is summarized in Table 1.Table 1 Basic parameters of GMZ –1 bentoniteMontmorillonite content/% Methyleneblue exchangecapacity/(mmol · (100 g)-1)Cation exchangecapacity /(mmol · (100 g)-1) Real density /(g ·cm -3)Alkaliindex 75.4 102 77.30 2.661.14Exchangeable cation/(mmol ·(100 g)-1) pH E (k +)E (Na +)E (1/2Ca 2+)E (1/2Mg 2+)8.68–9.862.51 43.36 29.14 12.333 PHYSICAL PROPERTIES OF GMZ –1The bentonite buffer material around the HLW canister has a key role for repository safety. It must hold the canister in the center of the disposal pit. The buffer will also have to conduct the fuels ′ residual heat. The bentonite will hinder groundwater ,possibly containing various corrosive substances from flowingfreely to the canisters ′ surface. Another key property of the buffer material is its ability to swell by water uptake ;therefore it fills voids in the engineered barriers and fractures in the surrounding host rock.Thus ,in case of Chinese candidate buffer material :GMZ –1,basic parameters related to swelling ,thermal ,hydraulic and mechanic properties should be obtained in order to assess its feasibility to be served as buffer in HLW repository. 3.1 Thermal propertiesThe buffer is required to have a good thermal conductivity in order to promote effective heat transfer to the surrounding rock. This keeps temperatures in the waste package low ,preventing recrystallization of glass that might be caused by elevated temperaturesarising from the radiogenic heat of the vitrified waste. As the buffer is not completely saturated immediately after emplacement of the waste packages ,the thermal properties of unsaturated buffer should be specified in the design [11]. Therefore ,thermal conductivity as function of dry density(1.4,1.6,1.8 g/cm 3) and water content(9%,14%,18%,24%) was measured by surface heat source method in this study. The instrument is thermophysical Properties Analyzer TP A 501(Fig.3). The experimental results are given in Table 2.第25卷第4期WEN Zhijian. Physical Property of China′s Buffer Material for High-level Radioactive Waste • 797 •Fig.3 Instrument for thermal conductivity testTable 2 Results of GMZ–1 thermal conductivity testswith dry density and water contentDry density/(g·cm-3) Water content/%Thermal conductivity/(W·(m·K)-1)8.76 0.5713.83 0.8318.17 0.971.424.07 1.198.64 0.8013.56 1.1017.94 1.301.626.70 1.518.61 1.021.813.36 1.43The thermal properties of the buffer depend on factors such as density,void ratio and water content,in a similar manner to general soil materials[5]. The thermal conductivity of GMZ–1 increases as the dry density increases for the same water content;and the thermal conductivity increases as the water content increases for the same dry density. 3.2Hydraulic propertiesWhen the waste package is emplaced,the buffer is in an unsaturated condition suitable for transportation and handling. After that,groundwater is drawn into the buffer by capillary action,the voids become filled with groundwater and the buffer becomes saturated. Therefore,it is necessary to understand the hydraulic properties for both the saturated and unsaturated state. In this study,The experiments on the density-dependence and the temperature-dependence of the saturated hydraulic conductivity of GMZ–1 have been conducted.Permeability tests are conducted according to the Japanese Geotechnical Society Standard(JGS T311). The test cell of diameter 50 mm and depth 10 mm is filled with test material at specified density(1.4,1.6,1.8 g/cm3) and set in a thermostatically controlled heating element. At each temperature in the stepwise heating process(25 ℃→60 ℃→90 ℃),distilled water is injected through the test sample by compressed air of 0.3 MPa(1.4 g/cm3) /0.6 MPa(1.6,1.8 g/cm3) and the outflow rate is measured with an electronic balance(Fig.4).The saturated hydraulic conductivity k(m·s-1) is calculated from the outflow rate Q(m3·s-1) by the following equation in accordance with Darcy′s law:Q = kiA (1) where A is cross-section area of the test sample(m2),and i is hydraulic gradient.Experimental results are shown in Table 3. The hydraulic conductivities of GMZ–1 increase as the temperature increases,and decrease as the dry density increases.3.3Mechanical propertiesThe buffer material should provide sufficient mechanical supports of the overpack to ensure the stability[12]. Mechanical property includes compressive strength,modulus of elasticity,shear properties,consolidation properties and tensile strength,etc.Unconfined compression strengths of GMZ–1 as function of dry density(1.4,1.6,1.8 g/cm3) and waterSensor BentoniteBentonite• 798 • 岩石力学与工程学报 2006年Fig.4 Schematic view of equipment for hydraulic conductivity testTable 3 Results of GMZ–1 hydraulic conductivity testswith dry densities and temperaturesDry density /(g·cm-3) Temperature/℃Hydraulic conductivity/(m·s-1)25 1.12×10-1260 1.87×10-121.490 2.91×10-1225 1.94×10-1360 3.61×10-131.690 5.75×10-1325 9.99×10-1460 1.99×10-131.890 3.00×10-13content(9%,14%,18%,24%) at room temperature was conducted in this study. The instrument is AG–10TB. The cylindrical specimen size is 30 mm (diameter)×60 mm(height). The strain rate is approximately to be 1×10-2/min. The test method and procedures basically conform to the Japanese Geotechnical Society Standard(JGS T511). Data are given in Table 4.In general,with the same water content,a larger initial dry density leads to a larger unconfined compressive strength,and with the same dry density,Table 4 Results of GMZ–1 unconfined compression testswith dry densities and water contentsReal dry density/(g·cm-3)Water content/%Unconfined compression strength/MPa8.32 0.9613.24 1.3717.45 1.051.422.80 1.048.29 3.0613.06 3.4317.43 2.371.623.58 1.748.51 6.5012.80 7.401.817.09 5.15a larger water content leads to a less unconfined compressive strength. The unconfined strength for GMZ–1 with 12.8%–13.24% water content is higher than that with other water content for the same dry density,which might be related to the optimum water content.3.4Swelling characteristicsA key property of the buffer material is its abilityto swell by water uptake,thereby filling voids in theMeasured unit Experimental columnPressure gaugeRubber balloonCompressorPressuring tankPermeated solution SpecimenElectronic balanceTeflon filterPorous stoneThermostat with circulation system第25卷 第4期 WEN Zhijian. Physical Property of China ′s Buffer Material for High-level Radioactive Waste • 799 •engineered barriers and fractures in the surrounding host rock.Thus ,parameters related to swelling property are necessary to the design of buffer material. Since the stress applied on the confined boundary surface when a bentonite specimen is infiltrated with water is not always equal to the swelling pressure [11] and so the applied stress on this confined boundary surface is defined here as the “swelling stress ”[12]. Swelling stresses as function of dry density(1.2,1.4,1.6,1.8 g/cm 3) were measured in this study. The instrument for swelling stress measurement is shown in Fig.5;and the corresponding data are given in Table 5.Fig.5 Test apparatus for measurement of swelling stress [12]Table 5 Swelling stresses as a function of dry densitiesDry density/(g ·cm -3)Swelling stress/MPa1.2 0.09 1.4 0.58 1.6 3.17 1.8 10.10Table 5 shows that the swelling stress increases as dry density increases.4 CONCLUSIONSThe deep geological disposal is regarded as the high-level radioactive wastes in the world. The conceptual model of geological disposal in China is based on a multi-barrier system and buffer/backfill material is one of the most important engineering barriers in the HLW repositories. Due to the very low permeability and excellent retardation of nuclides from migration etc.,the bentonite is selected as base material of the buffer/backfill material in HLW repositories. GMZ deposit is selected as the candidate supplier for buffer material of HLW repositories in China. From 2000 on ,systematic study has being conducted on GMZ –1 that is Na-bentonite produced from GMZ deposit and selected as reference material for Chinese buffer material study. GMZ –1 bentonite is characterized by high content of montmorillonite(about 75%) and less impurities. The systematic study on GMZ –1 is essential to safe dispose the high-level radioactive wastes in China. ACKNOWLEDGEMENTS The author wishes to thank No.102 Geological Party in Inner Mongolia Autonomous Region ,Geological Bureau in Xinhe County for supporting the field investigation. The author is grateful to professor Xu Guoqing and Miss Liu Yuemiao for their useful discussions. The author wishes to thank Mr. Mikazu Yui ,Mr. Kenji Tanai ,Mr. Hiroshi Sasamoto and Mr. Takashi Jintoku for their considerate arrangements of experiments. The helps ofMr. Kazuhiro Matsumoto and Mr. Hirohito Kikuchi were fundamental for the present work. The China National Nuclear Corporation (CNNC) and the Nuclear Researchers Exchange Program that were organized by the Ministry of Education ,Culture ,Sports ,Science and Technology (MEXT) of the Japanese government provided the financial support.References(参考文献):[1] OECD/NEA. Geological Disposal of Radioactive Waste Review ofDevelopments in the Last Decade[M]. Beijing :Atomic Energy Press ,2001.[2] Pusch R. 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Study on basic property of GMZCa-bentonite[R]. Beijing:Beijing Research Institute of UraniumGeology,China National Nuclear Corporation,2000.[9] Wen Z J,Liu Y. The first progress report on the study of GMZ sodiumbentonite[R].Beijing:Beijing Research Institute of Uranium Geology,China National Nuclear Corporation,2002.[10] Wen Z J,Jintoku T. Comparison study of basic property betweenGMZ–1 and Kunigel V1 Bentonite(Final report for MEXT Nuclear Researchers Exchange Program)[R]. [s. l. ]:[s. n. ],2003.[11] Fujita T,Chijimatu M,Kanno T,et al. Model of swelling pressure ofhighly compacted bentonite[A]. In:Proceedings of the International Symposium on Problematic Soils,IS-TOHOKU′98[C]. Tohoku:[s.n. ],1998. 285–288.[12] Japan Nuclear Cycle Development Institute(JNC). H12:project toestablish the scientific and technical basis for HLW disposal in Japan[R]. Tokyo:Japan Nuclear Cycle Development Institute,TN1410,2000.《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》联合致作者公开信——关于一稿多投的处理意见《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》均为建筑科学与水利工程类核心期刊和EI核心收录期刊。