好书推荐·《新世纪中国高放废物地质处置》

正本书收录了进入21世纪以来,主要是2000-2011年期间,我国在高放废物地质处置各领域有代表性的重要论文,包括高放废物地质处置战略和规划研究、地下实验室规划、高放废物处置库选址和场址评价、处置库工程屏障、玻璃固化体性能、缓冲回填材料性能、处置工程、放射性核素迁移行为、安全评价等领域的论文。基本反映了这一时期我国高放废物地质处置     

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。     

高放废物地质处置库安全特性研究

高水平放射性废物(简称高放废物)是一种放射性强、毒性大、含有长半衰期核素且发热的特殊废物,对其进行最终处置难度极大,面临一系列的科学、技术、工程及社会学的挑战。高放废物安全处置的核心是,要确保在数万年甚至更长时间内,将高放废物与生物圈进行有效隔离。我国核武器研制和生产过程中,已经积累了一批亟待地质处置的高放废物,急需开展技术研发,并建设处置库对其进行最终地质处置。另外,我国核电站乏燃料后处理产生的高放废物以及某些不宜后处理的乏燃料,也需进行最终地质处置。本文针对高放废物安全处置的要求,对高放废物处置库的工程屏障(玻璃固化体、废物罐、缓冲材料等)和天然屏障(处置库围岩)的安全特性进行了研究,介绍了我国高放废物地质处置库选址、工程屏障和安全评价的进展。     

高放废物地质处置容器材料选择和腐蚀行为研究进展

高放废物地质处置容器是高放废物地质处置多重屏障之一,高放废物地质处置容器材料的腐蚀性能决定了处置容器有效性。本文介绍了高放废物容器材料选择的两种策略,以及在不同处置环境下适合的材料,并给出了高放废物地质处置条件下容器材料可能的腐蚀类型。同时介绍了预测高放废物地质处置容器材料寿命的方法和思路,为我国在高放废物地质处置容器的选材上提供新思路和参数。     

辐射和热同时作用对膨润土物理化学性质和微观结构影响的初步研究北大核心CSCD

为了研究γ辐射和热同时作用对膨润土的影响,以高庙子改性钠基膨润土为研究对象,开展了90℃热作用下、不同剂量率和不同累积剂量的γ辐射老化试验。结果表明:γ辐射和90℃热同时作用引起了膨润土物理化学性质和微观结构的变化。在老化作用后,膨润土的吸水率、pH值、阳离子交换容量、层荷以及蒙脱石001晶面方向的微晶尺寸均减小,比参考样分别降低了(最大减幅)18.4%、7.8%、3.4%、2.9%和15.6%,且表现出剂量率效应;老化作用对膨润土的矿物成分及含量影响较小。在高放废物地质处置的工程屏障设计和安全评价中,应考虑膨润土性质变化的影响因素。     

高放废物地质处置中的工程材料

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.     

我国高放废物地质处置战略研究

我国高放废物地质处置规划设想及经费预测 （1）规划设想 我国高放废物地质处置的总目标是：在我国领土内选择地质稳定、社会经济环境适宜的场址,在21世纪中叶建成高放废物地质处置库,通过工程屏障和地质屏障的包容、阻滞,保障国土环境和公众健康不会受到高放废物的不可接受的危害.     

高放废物处置库工程屏障用粘土材料研究综述

本文简述了高放废物处置库工程屏障的作用,工程屏障概念的起因和发展过程,并对5个主要核国家所采用的5种蒙脱石粘土的样品来源、成分、主要物理化学特征和热-水-力学性能进行了分析比较,提出了从被动到主动的工程屏障概念和将来的研究方向。     

HLW竖直处置热分析

处置库中废物罐表面的最高温度不能超过100℃,这个标准决定着处置库的热库容。废物罐处置时剩余衰变热量、工程屏障系统材料的热特性、间隙的存在、处置主岩的初始温度及其热特性、处置库的布局等都是影响处置库中废物罐表面温度的因素。文章对处置主岩和工程屏障系统材料的热物理特性进行了分析和研究,对工程屏障系统不同间隙的热传导特性进行了研究,应用解析法和数值法对单个废物罐周边的温度发展进行了热传导特性研究。研究表明,最重要和最敏感的参数是废物罐的初始处置剩余衰变热量;而主岩和工程屏障系统材料参数的不确定性及其自然变化性和工程屏障系统废物罐周边间隙是影响废物罐表面最高温度的两个最主要的因素;工程屏障系统内部间隙的温度偏差小于10℃,内部间隙越大,温度偏差越大,外部间隙在被水充填时的温度偏差比间隙被空气充填时的温度偏差要小1～3℃。     

集成缓冲材料对锶的长期阻滞效应

缓冲材料作为高放废物处置库中多重屏障体系的最后一道人工屏障,其对放射性核素的阻滞性能将直接影响到处置库的长期稳定性和安全性。以具有低渗透性和良好的膨胀自愈性的膨润土作为集成缓冲材料的基材,以沸石和黄铁矿作为矿物添加剂,三者按照质量比为63∶27∶10均匀混合构成集成缓冲材料B7ZP,并采用恒定源扩散实验分析了锶在干密度为1.70g/cm~3试样中的扩散特性,结果表明,B7ZP缓冲材料对锶具有良好的阻滞性能,其表观扩散系数为3.30×10~(-12) m~2/s。同时,以多孔介质污染物迁移理论为依据,建立了锶在集成缓冲材料B7ZP中迁移的对流-弥散-吸附多场耦合方程,并应用Matlab软件分析了不同的时间尺度、渗流速率、表观扩散系数和阻滞因子等因素下集成缓冲材料B7ZP对锶的长期阻滞性能,为高放废物处置库的缓冲材料设计和长期阻滞性能评价提供科学依据。     

高放废物地质处置库预选场址水文地质研究进展

深地质处置是目前国际上普遍接受的高放废物最终处置方案。对于这种处置方案而言，最有可能使处置库系统中放射性核素释放并进入生物圈的机制是地下水的作用。本文阐述了这种地下水的作用，包括地下水与工程屏障的相互作用、地下水在地质屏障中的核素迁移作用及核素滞留作用；介绍了处置库场址评价中水文地质研究的国际进展和动向；重点介绍了我国高放废物处置库预选场址水文地质研究进程和概况。     

铀随地下水迁移的地球化学屏障物料选择

通过热力学计算得到的铀在场址地下水中的主要存在形态为UO₂(CO₃)^2-₂、UO₂(CO₃)^4-₃、UO₂CO⁰₃、UO₂(HPO₄)^2-₂，它们占99％以上。本工作对4种场址土壤进行表面电荷及K_d值测定。测定结果表明：场址Ⅲ土壤有最大的表面正电荷值，且对铀有极高的吸附比，是铀的良好吸附屏障物料。采用测定K_d的方法研究了8种添加剂对4种场址土壤以及炭质砂岩、Ca(OH)₂对Ⅲ号土壤的改良作用。结果表明：大部分添加剂未对铀产生屏障作用；炭质砂岩、Ca(OH)₂改善了Ⅲ号土壤的吸附性能，且Ca(OH)₂是比炭质砂岩更为优越的添加剂。     

地球化学工程学在放射性废物处置中的应用

介绍了应用地球化学工程学治理环境的基本依据,常用的放射性废物处置工程模式和工程屏障的功能,并以某放射性废物处置场地球化学工程屏障物料研究为例,说明地球化学工程学在放射性废物处置中的应用。研究结果表明,采用地球化学工程学方法来改良放射性废物处置场址的天然缺陷,可大大提高放射性废物处置的安全性。     

Challenges in spent nuclear fuel final disposal： conceptual design models

The disposal of spent nuclear fuel is a long-standing issue in nuclear technology. Mainly, UO2 and metallic U are used as a fuel in nuclear reactors. Spent nuclear fuel contains fission products and transuranium elements, which would remain radioactive for 104 to 108 years. In this brief communication, essential concepts and engineering elements related to high-level nuclear waste disposal are described. Conceptual design models are described and discussed considering the long-time scale activity of spent nuclear fuel or high level waste. Notions of physical and chemical barriers to contain nuclear waste are highlightened. Concerns regarding integrity, self-irradiation induced decomposition and thermal effects of decay heat on the spent nuclear fuel are also discussed. The question of retrievability of spent nuclear fuel after disposal is considered.     

缓冲/回填材料--膨润土研究国际进展

缓冲材料是高放废物地质处置库多重屏障系统重要组成部分。本文从膨润土特性、气体渗透性、膨润土中有机物、微生物腐蚀、孔隙水化学、蒙脱石向伊利石转化、核素迁移等方面简要总结了该领域的一些研究进展，旨在推动我国在这一领域的研究走向深入。目前，国内的工作主要集中于材料物理性能的测试，作者期待国家有关部门能加大经费支持力度。以推动这一领域的研究进展。确保高放废物的安全处置，为能源工业发展保驾护航。     

多因素耦合作用下缓冲材料对铀的长期阻滞效应数值模拟北大核心CSCD

近场环境条件下核素在缓冲材料中的迁移扩散受控于温度场、渗流场、膨胀应力场和化学吸附场的耦合作用,其对核素的阻滞特性将影响到核素随地下水向处置库围岩迁移并返回生物圈的能力,开展多因素耦合作用下缓冲材料对铀的长期阻滞效应研究,对地质处置库的长期安全性评价具有重要的意义。本研究基于混合物理论、连续介质理论、质量守恒、动量守恒、能量守恒及溶质扩散的Fick定律,推导出饱和缓冲材料中核素迁移扩散的热-水-力-化耦合控制方程,并借助于COMSOL Multiphysics软件的直接全耦合求解优势,以自主研制的缓冲材料长期阻滞性能Mock-up实验装置为几何模型,采用内置接口和添加热-水-力-化耦合控制方程中的耦合项作为源项相结合方式,实现了多物理场耦合作用下铀在饱和缓冲材料中迁移扩散行为的直接耦合分析,其长期阻滞特性数值模拟结果表明:初期阶段铀在缓冲材料中迁移扩散较缓慢,迁移距离随时间增幅在1 m左右;中后期阶段,随缓冲材料对铀的吸附容量逐渐趋于饱和后,其迁移距离较初期阶段增加更为明显,迁移距离随时间增幅为3 m左右。多因素耦合下核素在饱和缓冲材料中迁移扩散的热-水-力-化耦合控制方程构建、求解及长期阻滞性能模拟研究的方法,能够为我国高放废物深地质处置库地下实验室开展1∶1工程尺度的工程屏障设计与安全性能评价提供技术参考。     

Rice husk ash (RHA) as cement admixture for immobilization of liquid radioactive waste at different temperatures

Cementitious materials will initially act as a mechanical barrier preventing activated water flow through the waste for a long time, and thus will contribute to the retardation of dissolved radionuclides by the combination of physical and chemical interactions. Most chemical species in aqueous solutions will undergo some kind of (chemical) interactions with any solids of the cementations material. Therefore, it is of great importance to develop a quantitative understanding of the chemical processes involved and to strictly differentiate between physical and chemical aspects of radionuclide transport through such materials. A study is undertaken to determine the waste immobilization performance of (Cs⁺) wastes in cement-RHA mixtures. In addition to evaluating the effects of RHA on the leaching properties of cemented waste forms, the effect of addition of (RHA) on the strength of the cemented waste form is also investigated. However, RHA addition of 30% causes a significant increase in the hydraulic stability of cemented waste form. RHA enhances the strength; leaching and durability of cement may be through three primary actions which are the filler effect, the acceleration of ordinary Portland cement hydration and the pozzolanic reaction with calcium hydroxide (CH). The results were compared to control sample, and the viability of the RHA addition to concrete was verified. The use of these minerals results in ecological, economic and energy saving considerations.     

模拟不可燃放射性废物等离子体熔融处理试验研究

在自制的等离子体熔融试验台架上对玻璃纤维、混凝土、土壤的单体玻璃固化配方及三元混合废物玻璃固化配方开展等离子体熔融处理和同位素示踪实验。四种样品在1 100~1 300 ℃条件下熔融1 h均可得到玻璃固化体,经检测,玻璃固化体的密度、抗浸出性能以及机械性能均满足放射性废物玻璃固化体性能要求。示踪实验结果表明,等离子体熔融系统对示踪元素Co、Cs和Sr有较高截留率,且玻璃固化体对Co和Sr的固化能力较高、对Cs固化能力相对较低。在工程应用中,建议在熔融炉系统前端增设造粒等预处理系统,减少物料直接进入烟气净化系统的比例,以提高物料固化效率。     

Studies on material properties and structural mechanics of engineered barriers for HLW geological isolation

A massive engineered barrier system (EBS) composed of vitrified waste, carbon steel overpack and buffer material (compacted sodium-bentonite) can be expected to isolate hazardous radionuclides from the human environment.Corrosion, leaching and migration studies of EBS materials have supported the performance assessment of the system. Natural analogue is expected to be a method for the validation of the long-term durability of EBS materials. Geochemistry study of groundwater evolution in EBS supports the site generic performance assessment. Coupled thermo-hydro-mechanical process, mechanical stability and hydrogen gas behavior in EBS are also research items for more realistic evaluation of the EBS.     

放射性高盐废液干燥成盐技术研究

放射性废物处理中，放射性废液的体积和所含放射性总量在“三废”中占比较大，为使废物最小化，本研究围绕放射性高盐废液干燥成盐技术开展技术路线论证、工艺设计，研制放射性高盐废液微波干燥成盐工程样机，并完成样机加工制造、安装调试及性能验证。工程样机验证实验结果表明，装置运行过程稳定，干燥速率约6～8 L/h,产物不含游离水，桶内及桶壁温度最高约100℃,桶内压力在1～2 kPa之间。本研究结果可为放射性高盐废液干燥成盐技术及专用工装设计提供参考，并为后续工程应用奠定基础。