CN101887763A - 模拟高放废物地质处置室特性的*** - Google Patents

模拟高放废物地质处置室特性的*** Download PDF

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Abstract

本发明属于核废物处置技术领域，具体是模拟高放废物地质处置室特性的***。目的是提供能够模拟高放废物深地质处置室热-水-力-化学耦合特性的***。所述***包括供水和供气控制装置(1)、温度控制装置(8)、多场耦合实验装置、测量***、数据采集***(10)和数据处理***(19)；所述***以多场耦合实验装置为核心，其最外层为带具有密封盖的桶状不锈钢腔体(4)，最内层为一圆柱体形、用于模拟高放废物的加热器(3)。本发明的优点是提供了多场耦合条件下膨润土热-水-力-化学耦合实验装置，具有强度高、变形小、耐腐蚀、密封性能好、测量精度高等技术特点，适于模拟处置库条件下进行膨润土Mock-up长期实验。

Description

模拟高放废物地质处置室特性的***
技术领域
本发明属于核废物处置技术领域，尤其涉及高放废物深地质处置室热-水-力-化学耦合特性的模拟装置。
背景技术
核工业发展产生了大量的核废物，尤其是高放核废物，如何进行安全处置已成为日益紧迫要解决的环境问题。目前，国际上对于高放核废物处置一般倾向于采用深地质埋藏法。我国也明确表示对高放废物处置库采用这种方式，通过天然和人工屏障体系阻止核素的泄漏与迁移，达到高放核废物安全处置的目的。核废处置库地质选址后，采用有效的工程屏障来确保其长期的安全性和稳定性。国内外研究表明，膨润土是工程屏障理想的缓冲/回填材料，但必须通过对选定膨润土的材料特性、渗透性能、传导特征等的大量研究和进行多场耦合作用长期实验研究，来为设计和构建核废处置库提供依据。由于热-水-力-化学多场耦合现象极其复杂，实验难度大，是当今工程评价研究中的主要方向。
目前，我国已选定内蒙古兴和县高庙子矿床为缓冲/回填材料供应基地，对高庙子膨润土(浅表钙基膨润土和深部钠基膨润土)尚处在基本物理化学性质研究阶段，急待进一步开展缓冲/回填材料膨润土的热-水-力-化学耦合条件下长期性能的实验研究，目前还没有能够进行此种实验的***。
发明内容
本发明的目的是提供能够模拟高放废物深地质处置室热-水-力-化学耦合特性的一种模拟高放废物地质处置室特性的***。并利用此***进行高放废物深地质处置库首选缓冲/回填材料-高庙子钠基膨润土多场耦合作用的研究，探索模拟处置库条件下压实膨润士的行为特征和多种影响因素的作用机理。从而，建立热-水-力-化学耦合条件下膨润土膨胀及其长期性能研究的有效分析方法体系，揭示多场耦合条件下膨润土行为特征的变化规律，通过理论、数值分析和模拟技术建立多场耦合条件下多重屏障体系的数值模型；高庙子钠基膨润土长期特性评估和预测模型。直接为高放废物深地质处置缓冲/回填材料的选取，工程屏障***设计及安全性能评估提供可靠的依据。
本发明是这样实现的：一种模拟高放废物地质处置室特性的***，包括供水和供气控制装置、温度控制装置、多场耦合实验装置、测量***、数据采集***和数据处理***；
其中，所述模拟高放废物地质处置室特性的***以多场耦合实验装置为核心，多场耦合实验装置整体为圆柱形多层结构，其最外层为具有带密封盖的桶状不锈钢腔体，最内层为一圆柱体形、用于模拟高放废物的加热器，加热器***是压实缓冲材料，压实缓冲材料与不锈钢腔体之间的空隙采用填充材料填充；
温度控制装置包括加热器和加热器控制***，加热器不固定的放置于压实缓冲材料中，上下两端安装有用于监测加热器位移的位移测量装置；
供水和供气控制装置包括：供水供气管路、高压气瓶及控制装置、高压水瓶及控制装置；高压气瓶的出气管连接至高压水瓶，作为高压水瓶的压力来源，供水供气管路连接高压水瓶和多场耦合实验装置，供水供气管路中包含的多根供水供气管从高压水瓶伸出，在所述的不锈钢腔体的圆周方向均匀安装，垂直放置于膨润土块体与不锈钢腔体之间的填充材料中，在填充材料内供水供气管管壁上均匀的开有多个小孔，用于气体或者水的渗出；
测量***包括：温度测量装置、压力测量装置、位移测量装置、湿度测量装置、气体测量和收集***；
温度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料中的温度传感器；
压力测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料中的土应力传感器和设置于填充材料内供水供气管管壁小孔附近的孔隙水压力传感器；
湿度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料中的湿度传感器；
上述测量装置安装于压实缓冲材料中，对不锈钢腔体中的状况进行整体的监测；
气体测量和收集***安装于不锈钢盖顶部专设的排气孔处，负责收集和测量多场耦合实验装置中溢出的气体；
数据采集***安装于各个测量装置之后，用于将测量数据传送至数据处理***；
数据处理***用于记录和处理数据采集***采集到的数据，包括：数值模型及评估和预测模型。
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，所述的加热器包括：圆柱形的加热器不锈钢壳体、充满壳体空腔的导热油或者石英砂、浸没于导热油或者石英砂中的温度传感器和加热棒、不锈钢壳体上部的走线通道和出线口。
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，所述的压实缓冲材料是膨润土块体，或者是石英砂、膨润土以及少量添加剂组成的混合材料压制而成的块体。
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，所述的填充材料是石英砂、膨润土或者两者的混合材料，其中也可以包含少量添加剂；
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，在多场耦合实验装置最外层的桶状不锈钢腔体外侧安装有多个张力计或者应变片，用于监测桶体的形变。
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，在压实缓冲材料中还放置有多个金属腐蚀块，用于观察金属材料在实验条件下的腐蚀情况。
如上所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其中，在压实缓冲材料中设置有多个取样点，用于在运行一段时间之后，对压实缓冲材料进行采样，研究其在实验条件下的变化情况。
本发明的优点是提供了多场耦合条件下膨润土热-水-力-化学耦合实验装置，具有强度高、变形小、耐腐蚀、密封性能好、测量精度高等技术特点，适于模拟处置库条件下进行膨润土Mock-up长期实验。能够通过实时监测缓冲/回填材料的温度、湿度、力学等变化过程，揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下缓冲/回填材料行为特征的变化规律。同时，本发明所述***能够提供基于多场耦合及模拟处置库条件下大量的实验测定数据，进行理论、数值和模拟、反演技术分析建立多场耦合条件下多重屏障体系的数值模型和高庙子钠基膨润土长期特性评估和预测模型，为高放废物深地质处置库的建立奠定基础。
附图说明
图1是模拟高放废物地质处置室特性的***总体结构示意图；
图2是模拟高放废物地质处置室特性的***侧视横截面图；
图3是图2中的A-A截面剖视图；
图4是图2中的B-B截面剖视图；
图5是图2中的C-C截面剖视图；
图6是加热器的剖视图。
其中，1.供水和供气控制装置，2.压实缓冲材料，3.加热器，4.不锈钢腔体，5.螺杆紧固件，6.填充材料，7.位移测量装置，8.温度控制装置，9.气体测量和收集***，10.数据采集***，11.填充材料内供水供气管，12.安装区，13.加热器不锈钢壳体，14.加热棒，15.导热油或者石英砂，16.温度传感器，17.走线通道，18.出线口，19.数据处理***。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1至图5所示的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，能够模拟高放废物地质处置室热-水-力-化学耦合特性，包括供水和供气控制装置1、温度控制装置8、多场耦合实验装置、测量***、数据采集***10和数据处理***19；
其中，所述模拟高放废物地质处置室特性的***以多场耦合实验装置为核心，多场耦合实验装置整体为圆柱形多层结构，其最外层为具有带密封盖的桶状不锈钢腔体4，最内层为一圆柱体形、用于模拟高放废物的加热器3，加热器3***是压实缓冲材料2，压实缓冲材料2与不锈钢腔体之间的空隙采用填充材料6填充；
所述的压实缓冲材料2可以是膨润土块体，或者是石英砂、膨润土以及少量添加剂组成的混合材料压制而成的块体；
所述的填充材料6可以是石英砂、膨润土或者两者的混合材料，其中也可以包含少量添加剂；
温度控制装置8包括加热器3和加热器控制***，加热器3不固定的放置于压实缓冲材料2中，上下两端安装有用于监测加热器位移的位移测量装置7；
供水和供气控制装置1包括：供水供气管路、高压气瓶及控制装置、高压水瓶及控制装置；高压气瓶的出气管连接至高压水瓶，作为高压水瓶的压力来源，供水供气管路连接高压水瓶和多场耦合实验装置，供水供气管路中包含的多根供水供气管从高压水瓶伸出，在所述的不锈钢腔体4的圆周方向均匀安装，竖直放置于膨润土块体与不锈钢腔体之间的填充材料6中，在填充材料内供水供气管11管壁上均匀的开有多个小孔，用于气体或者水的渗出；
测量***包括：温度测量装置、压力测量装置、位移测量装置7、湿度测量装置、气体测量和收集***9；
温度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料2中的温度传感器；
压力测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料2中的土应力传感器和设置于填充材料内供水供气管11管壁小孔附近的孔隙水压力传感器；
湿度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料2中的湿度传感器；
上述测量装置安装于压实缓冲材料2中，对不锈钢腔体4中的状况进行整体的监测；
气体测量和收集***9安装于不锈钢盖顶部专设的排气孔处，负责收集和测量多场耦合实验装置中溢出的气体；
数据采集***10安装于温度测量装置、压力测量装置、位移测量装置7、湿度测量装置、气体测量和收集***9之后，用于接收测量数据并将测量数据传送至数据处理***19；
数据处理***19包括：数值模型及评估和预测模型；数据处理***19用于记录和处理数据采集***采集到的数据。
在多场耦合实验装置最外层的桶状不锈钢腔体4外侧安装有多个张力计或者应变片，用于监测不锈钢腔体4的形变。
在压实缓冲材料2中还放置有多个金属腐蚀块，用于观察金属材料在实验条件下的腐蚀情况。
在压实缓冲材料2中设置有多个取样点，用于在运行一段时间之后，对压实缓冲材料进行采样，研究其在实验条件下的变化情况。
如图6所示，加热器3包括：圆柱形的加热器不锈钢壳体13、充满壳体空腔的导热油或者石英砂15、浸没于导热油或者石英砂15中的温度传感器16和加热棒14、不锈钢壳体13上部的走线通道17和出线口18。
在具体实验过程中，使用上述***的步骤是：
1.数值模型模拟计算；
首先使用建模***Flac(2D/3D)、codebright、anasys或其他公知的平台来建立实验***的数值模型，以此作为实验***建立的依据，调试控制实验装置内的温度、湿度和压力等参数，模拟处置库工程屏障***进行Mock-up长期实验(THM、THC、THG、THB、THMC、THMCB等不同耦合条件下的长时间实验)。
2.使用实验装置进行实验；
以步骤1中得到的数据为依据建立实验环境，包括：
2.1采用和所需模拟的地质环境一致的特定材料制作压实缓冲材料2和填充材料6；
2.2固定多场耦合实验装置最外层的桶状不锈钢腔体4，在其外壁安装多个张力计或者应变片，然后其中放入加热器3、压实缓冲材料2、填充材料6以及填充材料内供水供气管11；
并同时安装测量***，包括：
多个均匀设置于压实缓冲材料2中的温度传感器；
多个均匀设置于压实缓冲材料2中的土应力传感器和设置于填充材料内供水供气管11管壁小孔附近的孔隙水压力传感器；
多个均匀设置于压实缓冲材料2中的湿度传感器；
在压实缓冲材料2中还放置多个金属腐蚀块，用于观察金属材料在实验条件下的腐蚀情况；
在压实缓冲材料2中设置有多个取样点，用于在运行一段时间之后，对压实缓冲材料进行采样，研究其在实验条件下的变化情况；
2.3安装桶状不锈钢腔体4的密封盖，使多场耦合实验装置形成密封，然后在其外部安装供水和供气控制装置1、温度控制装置8、数据采集***10和数据处理***19；
2.4通过供水供气管路向多场耦合实验装置中通入高压气体和水来模拟压力和湿度，由于高压气瓶和高压水瓶的阀门采用单独控制的方式，所以，可以选择性的加入气体或者水；
在加入气体和水的过程中，同时通过测量***来监测，在达到预定的湿度、压力之后即停止加水和加气的过程；
2.5调整加热器3至设定的温度；
2.6保持上述步骤中得到的实验环境，然后让模拟高放废物地质处置室特性的***持续运行；
3.采集实验过程中的实际数据，并进行模型的调整，预测；
实时监测实验过程中测量数据的变化，不断修正数值模型，并且利用调整后模型对之后的实验过程进行预测；
4.反复进行步骤3，直到得到比较准确的模型。
此实验过程可以持续数年，以得到精确的地质环境的数学模型。
并且在实验过程中和实验后，按设计好的实验装置拆除和取样方案，分析缓冲/回填材料耦合作用过程中和实验后各种性能的变化规律，构建缓冲/回填材料的长期性能评估和预测模型。
这样，便实现了本发明的目的：建立热-水-力-化学耦合条件下膨润土膨胀及其长期性能研究的有效分析方法体系，揭示多场耦合条件下膨润土行为特征的变化规律，通过理论、数值分析和模拟技术建立多场耦合条件下多重屏障体系的数值模型。

Claims (7)

1.一种模拟高放废物地质处置室特性的***，包括供水和供气控制装置(1)、温度控制装置(8)、多场耦合实验装置、测量***、数据采集***(10)和数据处理***(19)；
其特征在于：所述模拟高放废物地质处置室特性的***以多场耦合实验装置为核心，多场耦合实验装置整体为圆柱形多层结构，其最外层为带具有密封盖的桶状不锈钢腔体(4)，最内层为一圆柱体形、用于模拟高放废物的加热器(3)，加热器(3)***是压实缓冲材料(2)，压实缓冲材料(2)与不锈钢腔体之间的空隙采用填充材料(6)填充；
温度控制装置(8)包括加热器(3)和加热器控制***，加热器(3)不固定的放置于压实缓冲材料(2)中，上下两端安装有用于监测加热器位移的位移测量装置(7)；
供水和供气控制装置(1)包括：供水供气管路、高压气瓶及控制装置、高压水瓶及控制装置；高压气瓶的出气管连接至高压水瓶，作为高压水瓶的压力来源，供水供气管路连接高压水瓶和多场耦合实验装置，供水供气管路中包含的多根供水供气管从高压水瓶伸出，在所述的不锈钢腔体(4)的圆周方向均匀安装，竖直放置于膨润土块体与不锈钢腔体之间的填充材料(6)中，在填充材料内供水供气管(11)管壁上均匀的开有多个小孔，用于气体或者水的渗出；
测量***包括：温度测量装置、压力测量装置、位移测量装置(7)、湿度测量装置、气体测量和收集***(9)；
温度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料(2)中的温度传感器；
压力测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料(2)中的土应力传感器和设置于填充材料内供水供气管(11)管壁小孔附近的孔隙水压力传感器；
湿度测量装置包括多个均匀设置于压实缓冲材料(2)中的湿度传感器；
上述测量装置安装于压实缓冲材料(2)中，对不锈钢腔体(4)中的状况进行整体的监测；
气体测量和收集***(9)安装于不锈钢盖顶部专设的排气孔处，负责收集和测量多场耦合实验装置中溢出的气体；
数据采集***(10)安装于温度测量装置、压力测量装置、位移测量装置(7)、湿度测量装置、气体测量和收集***(9)之后，用于接收测量数据并将测量数据传送至数据处理***(19)；
数据处理***(19)包括：数值模型及评估和预测模型；数据处理***(19)用于记录和处理数据采集***采集到的数据。
2.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：所述的加热器(3)包括：圆柱形的加热器不锈钢壳体(13)、充满壳体空腔的导热油或石英砂(15)、浸没于导热油或石英砂(15)中的温度传感器(16)和加热棒(14)、不锈钢壳体(13)上部的走线通道(17)和出线口(18)。
3.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：所述的压实缓冲材料(2)是膨润土块体，或者是石英砂、膨润土以及少量添加剂组成的混合材料压制而成的块体。
4.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：所述的填充材料(6)是石英砂、膨润土或者两者的混合材料，其中也可以包含少量添加剂。
5.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：在多场耦合实验装置最外层的桶状不锈钢腔体(4)外侧安装有多个张力计或者应变片，用于监测桶体的形变。
6.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：在压实缓冲材料(2)中还放置有多个金属腐蚀块，用于观察金属材料在实验条件下的腐蚀情况。
7.如权利要求1所述的一种模拟高放废物地质处置室特性的***，其特征在于：在压实缓冲材料(2)中设置有多个取样点，用于在运行一段时间之后，对压实缓冲材料进行采样，研究其在实验条件下的变化情况。
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