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高放废物地质处置缓冲回填材料研究进展综述

文档作者：孙发鑫陈正汉边诚程小家杨科文档来源： 1后勤工程学院 2岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆4013l1；3四川省泸州市体育局		点击数：	更新时间： 2022年08月31日
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2012．NO．10第1 1卷总第108期 岩土工程47
基金论文：该文为国家自然科学基金资助项目(11072265)；重庆市自然科学基金资助项目(CSTC。2009BB7343)论文2．-。
doi：10．3969~．issn．1671-9107．2012．10．047
高放废物地质处置缓冲／回填材料研究进展综述
Progress ofInternational Study on Bu髓 『Backfilling Material for Geological Disposa1 ofHiPlh．Leve1 Radioactive W aste
孙发鑫’-一，陈正汉1--。边诚，。程小家3。杨科，
(1后勤工程学院，重庆4013ll；2岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆4013l1；3四川省泸州市体育局，四川泸州6460001
摘要：随着核能的发展，不可避免要产生大量高放射性废物。对于高放废物的处置国际上普遍接受的方法是深部地质处置 膨调土及其含砂混合
料以其优异的性能被认为是高放废物地质处置库中理想的缓冲／回填材料。该文从仪器设备的研制、本构模型、膨胀特性、模型实验及原位试验、
热一力一水耦合过程的理论研究及其数值模拟等方面简要总结了膨润土及其舍砂混合料作为缓冲／回填材料的一些国际研究进展 作者期待国家
相关部门能加大经费投入和支持力度，推动我国这一领域的研究走向全面和深入，为核能事业的发展保驾护航。
关键词：高放废物；地质处置；膨润土及其含砂混合料：缓冲／回填材料
中图分类号：TL942+．29 文献标识码：A 文章编号：1671—9107f2012)09-0047—03
Abstmet：Much high-level radioactive waste is inevitablv produced witla the development ofnucleal energy．The most generally accepted way ofdispos．
hag high level radioactive waste by the international community is deeply geological disposa1．Bentonite and its san d mixture ale regarded as ideal
bufer／backfilling materials in geological disposal repository of high-level radioactive waste for its excellent performance．Some progresses of intemational
study on bentonite and its san d mixture as bufer／backfilling materials ale summarized from the aspects of equipment development，constitutive
model，expan sion characteristics，mod el test and in-situ test，theory study on therm al—Mechanical-water coupling process an d numerical simulation．It is
expected that related departments will ofer more financial investment and suppo~to promote the development of the study of this field and assure the
safety ofthe development ofnuclear energy．
Key words：hjgh-level radioactive waste；geological disposal；bentonite and its sand mixture；bufer／backfilling materials
我国是一个核大国，核武器、核潜艇和核电站每年产生
大量高放废物。对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，是落实科学发展观、确保我国核能工业
可持续发展和环境安全的重大问题【1]。在研究高放废物处置
的过程中，各国学者提出过多种方案，包括岩溶处置、海洋处
置、冰川处置、太空处置、深部地质处置等。目前国际上普遍
接受的是采用深部地质处置。2003年发布的<中华人民共和 国放射性污染防治法="国放射性污染防治法">从国家层面明确规定了我国的高放废
物实行集中的深地质处置。高放废物的深埋通常采用多重屏
障的方法，多重屏障体系主要包括天然屏障(围岩)和工程屏
障翻。
工程屏障由内向外依次为：废物固化体、废物包装容器
和缓冲／回填材料f2]。工程屏障体系对缓冲／回填材料的要求
包括：(1)合适的力学性能，能保持废物包装容器的稳定；(2)
低渗透性，能延缓地下水侵蚀废物包装容器：(3)较高的热传
导性．能及时将放射性元素衰变产生的热量传递到围岩中
去 避免处置库温度超过100℃ 导致液态水气化产生过大的
水汽压力：(4)较高的吸附性，能阻止和延缓放射性元素随地
下水渗流而扩散；(5)适宜的膨胀特性，能及时填补和封闭围
岩裂隙。
膨润土及其含砂混合料以其优异的性能被认为是高放
废物地质处置库中理想的缓冲／回填材料。目前，有的国家选
用高压实膨润土作为缓冲材料．有的国家则选用膨润土．砂混
合料作为缓冲材料。
收稿日期：2012 06．11
作者简介：孙发鑫(1985．)，男，四川泸州人，硕士研究生，主要从事与非
饱和土相关的研究工作。
本文总结了近年来国际上对膨润土及其含砂混合料的研
究进展，以期推动我国在这一领域的研究走向全面和深入，为
核能事业的发展保驾护航。
1研究现状分析
1．1相关仪器设备的研制
对膨润土及其含砂混合料的试验研究会遇到高温、高压、
高吸力及试验平衡时间很长等问题．这些都大大超出了通常
土力学仪器的试验能力范围。为此，国外学者研制了一些有
特色的试验设备。Blatz与Graham设计了一个利用气体湿度法
控制吸力的非饱和土三轴仪，其压力室可承最大压力10MPa
。西班牙能源环境与技术中心(CIEMAT)与加泰罗尼亚理
工大学(UPC)分别研制了气体湿度法控制吸力的温控非饱和
固结仪[5-8]。法国路桥大学(ENPC)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~64MPa的压力，
通过将压力室放人恒温水槽中，可实现对温度的控制 。上
述三台温控仪器实际最高使用温度均为8O℃。
1．2本构模型
膨润土及其含砂混合料的力学性能是影响多重屏障系统
稳定性的一个重要因素。膨润土及膨润土．砂混合料表现出了
复杂的非饱和力学特性，由于试验难度大，故国外的研究大多
是在常温下进行的。主要涉及吸力对含水率、剪切强度、屈服
及压缩性的影响、吸力循环过程中的变形特性、应力路径相关
性及非饱和渗透性等。根据试验研究结果，初步提出了有关
本构模型．~Alonso等的巴塞罗那膨胀土模型、Cui等的CSC
非线性弹性模型、Tangl~等应力比模型等。关于温度对缓冲／

2012．NO．10第11卷总第108期 高放废物地质处置缓冲／回填材料研究进展综述 岩土工程49
广泛的关注。目前有两个国际合作项目进行了相关研究，
即：瑞典、美国、英国、日本等国开展的DECOVALEX(deve1．
opment of coupled models and their validation against experimentsinnuclearwasteisolation)
和受欧盟(CEC)资助的第三
次R&amp;amp;D(research&amp;amp;development)项目，缓冲层的热．水．力耦
合过程是其中一个子项目，研究重点是建立考虑热效应的
三相多场耦合固结理论(即，包含热效应的非饱和土固结理
论)。英国学者Thomas等对此做了系统的研究工作同，用有
限元法模拟缓冲层的热．水．力耦合过程。西班牙学者Gens
和S Olivella、澳大利亚学者N．Khalili及其他学者F．Collin．X．
L_Li，J．P．Radu and R．Charlier也在做类似的工作
2结束语
高放废物缓冲／回填材料的研究是一个涉及膨润土主料
的选择、添加剂及其配合比的优化、材料在地下水作用下的
物理化学性能变化、材料厚度、形状设计、施工方法与技术
等多方面的问题。需要通过室内试验、模型试验、地下实验
室试验和现场原位试验进行逐步推进和研究论证
国际上对于缓冲／回填材料的研究已取得了很多进展．
而我国相关研究由于起步较晚，很多问题还有待进行更全
面和深入地研究。作者期待国家相关部门能加大经费投入
和支持力度，以推动我国在这一领域的研究进展．为核能事
业的发展保驾护航
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