高放废物地质处置缓冲回填材料研究现状.doc

高放废物地质处置缓冲回填材料研究现状
张红雨
南京政治学院上海校区管理处 200433
摘要:缓冲/回填材料是高放废物地质处置中最后一道工程屏障材料,其基本力学特性的发挥是地下处置库安全运行的重要保障。本文对国内外高放废物地质处置缓冲/回填材料力学特性研究现状和进展进行了回顾和总结;并重点介绍了目前国内外学者主要针对膨润土以及膨润土-砂混合缓冲/回填材料的膨胀特性、渗透特性和持水特性等非饱和特性的试验研究成果。
关键词:高放废物;地质处置;缓冲/回填材料;力学特性

核电的发展不可避免地产生大量核废物。核废物按其放射水平的不同可以分为低放、中放和高放废物。一般情况下中低放废物通常采用沉淀法、蒸发浓缩法、太阳能蒸发、离子交换法和电渗析、反渗透、超滤和固液相分离等方法进行处理,而高放废物由于具有放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长等特点,使得高放废物安全处置成为人类最关心的问题之一。在高放废物处理方法上曾经提出过太空处置、极低处置、深海沟处置、深地质处置等方法,目前公认的安全可靠、技术可行的方法为地质处置方法,即在地表以下500~1000米深建造处置库,通过工程屏障和天然屏障永久隔离高放废物。天然屏障即为天然地质体,工程屏障包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲/回填材料[[]]。其中,缓冲/回填材料构成最后一道工程屏障,是高放废物处置库安全运行的重要保证,对其材料的选择要非常慎重。
据估算,我国目前运行的11个核电机组每年约产生470吨乏燃料;到2020年我国将累计有约10300tHM乏燃料[[]]。对核电站产生的高放废物的最终安全处置,是一个与核安全同等重要的问题,是确保我国核能工业可持续发展和环境安全的重大问题。
1 国际上缓冲/回填材料研究现状与发展
高放废物地质处置最早是由美国国家科学院于1957年提出的,目前国际上对高放废物地质处置缓冲/回填材料研究主要集中在以下几个方面:
缓冲/回填材料试验设备的研制
膨润土或膨润土-砂混合物属于非饱和土中的特殊土,具有高膨胀性、极低的渗透性等一系列特殊性质,如膨胀力大、渗透时间长等问题,这些都大大超出了常规土力学试验设备的试验能力范围。为此,国际上研制了很多针对膨润土等特殊土的特色试验设备。
西班牙能源环境与技术中心在考虑温度对缓冲/回填材料的固结特性影响时,研制出温控非饱和固结仪,通过将试样装置放置于特制的恒温水槽内,通过控制水槽内的温度达到对试样温度的控制。法国路桥大学研制了一个等向高吸力温控固结仪,利用饱和盐溶液控制吸力,可施加64MPa的压力,通过将压力室放入恒温水槽中,可实现对温度的控制。陈正汉等研制了国内首台温控土工三轴仪,在2009年又研制成高温-高压-高吸力三轴仪,专门用于研究缓冲/回填材料的热力学特性。
这些试验仪器的成功研制无疑大力推动了缓冲/回填材料基本性质的研究进展,且大部分都考虑到了缓冲/回填材料在实际运行中所处的环境,因此能够更加真实的体现缓冲/回填材料在高放废物地下处置库中运行力学状态。
缓冲/回填材料力学特性
膨润土力学特性的研究,是随着人们对高放废物深地质处置的日益关注而展开的。20世纪70年代末,瑞典科学家提出膨润土是合适的缓冲/回填材料,并对膨润土展开了系统研究。为选择合适的缓冲/回填材料,瑞典