第25卷　第1期2002年3月 华　东　地　质　学　院　学　报JOURNAL　OF　EAST　CHINA　GEOLOGICAL　INSTITUTE Vol125　No11Mar.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　ThesketchmapofmultibarriersystemforgeologicaldisposalofHLW1.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.deMarsily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;ChoW-Jetal.,2000)[7,9],温度对未饱和条件下水的影响是一条U型曲线(Suzukietal.,1996;Suzukietal.,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;Fujitaetal.,1992;Shidaetal.,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(Nakanoetal.,1984;IwataandTabuchi,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(KomineandOgata,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(Maedaetal.,1998;Miharaetal.,1998)[5,6];温度升高,膨胀压力减小(KonineandO2gata,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(Suzukietal.,1992;Chijimatsuetal.,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(Taniguchietal.,1999;OdaandShibata,1999)[5,6],膨润土对大多数放射性核素有较好的吸附性(SatoandShibutani,1994;Satoetal.,1995)[3—7],蒙脱石在温度不大于100℃时能长期(≥1Ma)保持稳定(Pusch,1983;Kameietal.,1992;ChoW-Jetal.,2000)[3,9],

甚至温度高达130℃时也能保持数百32第1期 罗太安等:高放废物深地质处置缓冲/回填材料研究进展年不变质(Ishikawaetal.,1994)[3,7]。2.1.7　气体渗透性研究。包装容器的腐蚀将产生一定数量的氢气,并会在缓冲/回填材料中扩散和迁移[3]。氢气的扩散系数为10-10m2/s～10-11m2/s(Pandeyetal.,1994;Nerethieks,1985;KroossandSchaefer,1987;Worgan,1990;Volckaertetal.,1993;Tanaietal.,1999)[3,5～7]。气体的渗透力为10-20m～10-21m(PuschandForsberg,1983;1995;Horsemanetal.,1999;Tanaietal.,1999)[3,5,6],且随着水饱和度的增加而减小(Tanaietal.,1996;)[5,6]。气体扩散的最小压力随干密度和膨胀压力的增加而增大(Puschetal.,1985,1987;puschandHokmark,1990;Volckaertetal.,1995;Tanaietal.,1999)[3,5—7]。2.1.8　添加剂研究。为了进一步提高缓冲/回填材料的某些性能,可以在缓冲/回填材料中添加其它物质以改善其相关性能。例如,锌可以改善膨润土的吸附性能。石英砂可以改善缓冲/回填材料周围地下水的化学性质和提高缓冲/回填材料的导热系数[3]。由于石英砂资源丰富、经济价廉而被作为缓冲回填材料的首选添加剂。同时也对添加剂加入后缓冲/回填材料性能的改善状况进行评价、对比。部分性能参数对比见表1[3,5,6]。表1　添加剂加入后膨润土部分性能对比Tab.1　Thecomparisonofbentonitepropertiesofteraddingdifferentadditionagent性　质30%石英砂+70%膨润土100%膨润土干密度/Mg・m-31.601.80初始孔隙率0.680.53初始含水量/%76热导系数/Wm-1・K-10.780.96比热/kj・kg-1・K-10.590.58饱和透水率[m・s-1]4.5×10-13[25℃]2.5×10-14[25℃]无限侧压[MPa]0.5(ω=7%)/0.3(ω=22%)5(ω=10%)/3(ω=18%)回弹模量[MPa]50(ω=7%)/3(ω=22%)500(ω=10%)/200(ω=18%)拉伸强度[MPa]0.05(ω=4.7%)0.56(ω=6.9%)压实指数0.270.212.2　国内研究进展我国于80年代中期才开展对缓冲/回填材料的研究工作,主要参与单位有核工业北京地质研究院、原子能研究院、核二院、清华大学、北京大学、中国地质大学、南京大学、中国辐射研究院、华东地质学院等。“九五”前,国内研究取得的突出成果是筛选出了可作为缓冲/回填材料的膨润土矿。在核工业北京地质研究院的组织和参与下,根据高放废物处置库对缓冲/回填材料的要求,对全国范围内的94个膨润土矿床进行了资料调研、实地调查和分析比较,最后确定储量在全国已探明的矿床中占第三位的内蒙古高庙子膨润土矿床作为我国高放废物处置库缓冲/回填材料供给基地的首选矿床。该矿床交通方便,距离我国高放废物处置库预选场地较近;矿床规模大,储量达1.69×108t,其中钠基膨润土达1.2×108t;矿石品位较高;矿区地处干旱区,地质构造和水文地质条件较简单,工程地质条件也不太复杂,开采难度不大;矿床开采所需能源和水源都能得到解决[2,12]。“九五”期间,以核工业北京地质研究院为牵头单位,在确定内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床为我国缓冲/回填材料的供给基地后,对该矿床进行了重点评价研究工作。由于该矿床还未正式开采,仅对浅层钙基膨润土进行了物质成分、物理化学特性、基本物理水理性能、力学性能、压实性、膨胀性和渗透性能等进行了系统研究,测试结果见表2[13—15]。42华　东　地　质　学　院　学　报 2002年