高放废物深地质处置缓冲_回填材料研究进展

第25卷　第1期2002年3月 华　东　地　质　学　院　学　报

JOURNAL OF EAST CHINA GEOLO GICAL INSTITU TE

Vol 125　No 11Mar.2002

收稿日期:2001210216

作者简介:罗太安(1975—

),男,硕士研究生,材料科学与工程专业,无机非金属材料研究方向。高放废物深地质处置缓冲/回填材料研究进展

罗太安,　刘晓东

(华东地质学院材料科学与工程系,　江西抚州　344000)

摘　要:综述了高放废物深地质处置库缓冲/回填材料的作用和性能要求。介绍了缓冲/回填材料在透水性、热性质、膨胀性等方面已取得的成果和新进展。最后简述了缓冲/回填材料研究的发展趋势。关键词:高放废物;　地质处置;　缓冲/回填材料;　研究进展

中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1000-2251(2002)01-022-05

随着核科学的发展,核技术不仅在国防工业得到了广泛的应用,而且已深入到工业、农业、医学等与人们生活息息相关的各个领域,极大地促进了各国的经济建设。由于核技术和核能的特点,在造福于人类的同时也产生了许多高放射性水平废物(下

称“高放废物”

)。这些高放废物若不加以安全处置,将会对人类社会、自然环境产生巨大的破坏作用,其影响可长达数百年至数万年、甚至更长的时间。同时,能不能安全处置这些高放废物也是关系到一个国家的国际声誉、核电发展、环境保护和人民健康的一件大事。因此,各个有核国家对高放废物的安全处置都极为重视。

目前,高放废物处置的途径主要有两种[1]:第一,改变高放废物中核素的性质,使其无毒化,主要方法有核嬗变法;第二

,将高放废物长期与生物圈隔离,以确保所含核素在进入生物圈之前衰变殆尽,主要方法有深地质处置法、冰层处置法、太空处置法、深海洋处置法等。其中深地质处置法因具有处置安全性好、处置容量大等优点被认为是高放废物处置的首选方法。高放废物深地质处置就是根据多重屏障体系的概念,将高放废物处置在距地表500～1000m 深的合适岩体中的地下处置库内,人为设置种种屏障来阻止核素的泄漏与迁移,达到对高放废物的安全处置。多重屏障系统主要包括人工屏障和天然屏障(图1),人工屏障由内到外主要由高放废物固化体、废物包装容器和缓冲/回填材料构成。

图1　高放废物深地质处置库多重屏障系统示意图

ig.1　The sketch map of multibarrier system for geological

dispo sal of H LW

1.高放废物固化体;

2.废物包装容器;

3.缓冲/回填材料;

4.天然屏障。

1　高放废物深地质处置缓冲/回填材料的

作用和性能要求

据国内外高放废物深地质处置方法和瑞典、日本、加拿大等国处置库场地下实验室的研究结果表明,缓冲/回填材料在高放废物深地质处置中的作用是非常重要的,概括地讲,缓冲/回填材料的主要作用有[1-4]:工程屏障作用,维护处置库结构的稳定性;水力学屏障作用,阻止地下水的渗流;化学屏障作用,阻滞核素迁移;导体作用,对辐射热具有良好的热传导和扩散作用。因此,为了达到高放废物安全处置的目的,普遍认为高放废物深地质处置中的缓冲/回填材料应满足下列性能要求[1-6]:a.低透水性,能阻止和延缓地下水向废物包装容器渗透

流动;b.良好的膨胀性,缓冲/回填材料经吸水后体积膨胀,可堵塞周围介质中的所有空隙,降低介质的孔隙度;c.良好的吸附性,能吸附从高放废物中泄漏出的核素,在一定厚度的缓冲/回填材料的阻隔下,核素在进入生态圈之前,有足够长的时间把大部分核素衰变到无害水平;d.良好的热稳定性、耐辐射性,不易因辐射或因辐射导致温度升高发生相变、变质等不利现象而影响其功能;e.导热性,能传导和散失核素衰变热保持处置库的稳定;f.良好的化学稳定性,缓冲/回填材料与废物包装容器(大部分国家采用金属材料作包装容器)起化学作用,在包装容器表面生成化学保护层,能抵御、减弱地下水对包装容器材料的侵蚀速度;g.较好的机械缓冲性,能减弱、消散岩石因热膨胀、变形等造成的对废物容器的应力,为废物容器提供机械屏障;h.经济性,处置库中需要大量的缓冲/回填材料,因此应经济价廉、资源丰富,以减轻高放废物处置的费用。

2　国内外缓冲/回填材料研究进展

2.1　国外研究进展

70年代中期,瑞典科学家们在深地质处置研究工作中就认识到了地下处置库中水的循环是不可避免的,他们在处置概念模式中引进了有效的水工屏障体系[7]。与此同时,G.de Marsily等人提出了“在废物周围建立人工屏障,局部通过附加物理屏障来增强封闭”的观点[7]。此后,许多科学家开始研究适合作这种人工屏障的材料。70年代末,瑞典科学家首先认识到这种人工材料应具有良好的吸水性和膨胀性。他们首先想到了有较好吸附性、膨胀性的粘土矿物,经过对粘土矿物进行比较、分析和一系列的实验(包括吸水膨胀性、对核素的吸附性、导热性的改善、加工成型性等)研究,一致认为以蒙脱石为主要成分的膨润土是最适合的材料。目前,大部分国家都把对缓冲/回填材料的研究作为其高放废物深地质处置项目的一个重要研究方向,参照瑞典科学家们的研究方法对缓冲/回填材料进行了深入的研究。

2.1.1　缓冲/回填材料的筛选　根据高放废物对缓冲/回填材料的要求,Pusch(1977,1978)经过分析、比较和相关实验认为以蒙脱石为主要成分的膨润土是最合适的材料[3,4,7]。由于结构和成分的差异,Weststic等人(1981)认为钠基膨润土比钙基膨润土更适合作缓冲/回填材料[3,4]。因此,瑞典核燃料与废物管理公司、瑞士放射性废物处理合作总署、加拿大原子能有限公司、美国能源部、日本原子能研究院、日本中央电力研究院等大多数研究机构都是以钠基膨润土为基材开展缓冲/回填材料的研究工作[3,10,11]。

2.1.2　透水性研究。地下水在缓冲/回填材料中的迁移分两种情况,在膨润土水饱和的条件下,水在膨润土中的传导符合达西定律[3,4];在膨润土水饱和之前,水在膨润土中的运动可分液体运动和蒸汽运动(Nakano,1991)两种形式,在水量较低时,水的运动以蒸汽扩散为主,而在水量较高时,水的运动以液体运动为主(Takeuchi,1995)[3,5,6,8]。温度对饱和条件下水的渗透影响不大(PNC,1996;Cho W-J et al.,2000)[7,9],温度对未饱和条件下水的影响是一条U型曲线(Suzuki et al.,1996;Suzuki et al.,1999)[5,6]。

2.1.3　热性质研究。影响膨润土热性质的因素主要有密度、孔隙率、含水量(PNC,1992)[3]。导热系数和比热随密度增大、孔隙率减小、含水量增大而增大(Campbell,1987;Fujita et al.,1992;Shida et al.,1997)[5,6]。

2.1.4　膨胀特性研究。膨胀压力是由蒙脱石吸水膨胀所引起的压力(Nakano et al.,1984;Iwata and Tabuchi,1988)[3],尽管不同的研究者采用的测试方法不完全相同,但结果一致,即膨胀压力与有效干密度成正比(K omine and Ogata,1997;Karnland, 1997)[5,6],而且得出钠基膨润土的膨胀性优于钙基膨润土(Maeda et al.,1998;Mihara et al., 1998)[5,6];温度升高,膨胀压力减小(K onine and O2 gata,1998)[5,6]。

2.1.5　压实性研究。压实方法有动压压实法和静压压实法,测试结果基本一致,即蒙脱石含量越高,越难压实;压实能量越大,样品密度越大,含水量越小(Suzuki et al.,1992;Chijimatsu etal.,1999)[3,5—7]。但在相同的压实能量下,静压压实法比动压压实法更易得到最大干密度(JNC,2000)[5,6]。

2.1.6　化学性质研究。膨润土中毛细管的水为中性或弱碱性(T aniguchi et al.,1999;Oda and Shibata, 1999)[5,6],膨润土对大多数放射性核素有较好的吸附性(Sato and Shibutani,1994;Sato et al.,1995)[3—7],蒙脱石在温度不大于100℃时能长期(≥1Ma)保持稳定(Pusch,1983;K amei et al.,1992;Cho W-J et al.,2000)[3,9],甚至温度高达130℃时也能保持数百

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