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高放废物地质处置缓冲/回填材料研究现状

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：
1.1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。
1.2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，瑞典研究了多种不同膨润土（以及一些其它粘土）的膨胀力、渗透性、剪切强度等性质，并考察了孔隙溶液类型及其浓度对上述特性的影响，研究表明孔隙溶液电解质浓度提高会导致膨胀力减小，渗透系数增大。瑞典学者在膨润土微结构研究方面取得了诸多成果，提出了一系列微结构模型，对压实膨润土吸水饱和后微结构特性的研究具有意义。加拿大、西班牙、法国、日本、德国等根据各国的处置情况对膨润土的力学特性进行了研究。
这些成果为进一步研究缓冲/回填材料的力学特性指明了研究方向。但主要是针对压实膨润土在吸水饱和后的力学特性，涉及的是饱和土力学的理论知识，而地下处置库中的缓冲/回填材料实际上长期处于非饱和状态，因此，研究缓冲/回填材料的非饱和力学特性更能反映处置库的工作状态，但这些研究成果和研究方法无疑为研究膨润土的非饱和力学特性奠定了基础。
1.3缓冲/回填材料非饱和力学特性
缓冲/回填材料的非饱和力学特性主要集中在两点，一是针对膨润土较好的膨胀性而开展的膨胀特性试验研究，二是研究材料的土-水特征曲线这一重要非饱和特性。
在膨胀特性方面，Motes-H采用扫描电子显微镜检查法对MX-80膨润土粉末的膨胀-收缩动力学过程进行了试验，建立了膨胀-收缩动力学模型；Villar等对初始含水率和初始干密度对FEBFX膨润土膨胀特性的影响进行了试验研究；W.Baille等对压实膨润土试样的膨胀力进行了室内固结试验，研究了膨润土膨胀力和一维状态下最大膨胀力与含水率、干密度和压实度之间的关系。
在土-水特征曲线方面。G.X.Tang等通过滤纸法研究了掺砂比例为50%混合料在不同温度下土-水特征曲线的规律和不同温度下吸力、应力和强度之间的关系；AMTang等对压实膨润土在不同温度条件下的持水能力进行了试验研究，发现温度的增加导致膨润土持水能力下降，得出温度对膨润土持水能力的影响主要是因为温度变化引起孔隙液面张力变化的结论。
随着缓冲/回填材料研究进展，学者们越来越意识到，通过饱和土力学理论得到缓冲/回填材料的基本力学性质并不能全面反映材料在地下处置库中的实际运行状态，因此运用非饱和土力学理论研究膨润土以及膨润土-砂混合物组成的缓冲/回填材料的基本力学性质将是后续研究的主要方向。
2国内缓冲/回填材料研究现状与发展
我国从开展高放废物深地质处置研究开始，就确定了用膨润土作为处置库的缓冲/回填材料，通过对全国范围内的94个膨润土矿床调查和筛选，根据矿床地理位置、交通、矿区地质特征、矿床储量、矿区自然地理、开采技术条件和经济性等因素综合对比研究后确定内蒙古高庙子地区的膨润土为我国首选的缓冲/回填材料供应基地[[]]。
在对高庙子膨润土作为我国缓冲/回填材料的研究上，国内学者的研究主要分两个方面：第一个方面是研究高庙子纯膨润土的力学特性，第二个方面是研究高庙子膨润土掺砂混合物的力学特性。
2.1高庙子膨润土力学特性
在膨胀特性方面，刘月妙等利用高压固结仪对高庙子膨润土的3组样品进行了压实膨胀特性试验，研究结果表明，膨润土样品的膨胀力与蒙脱石含量和样品压实密度有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。在渗透性方面，牛文杰等试验研究高压实膨润土的非饱和渗透特性，发现高压实膨润土的渗透系数在自由膨胀条件下变化范围主要集中在10-15~10-12m/s，渗透系数随吸力减小而增加，并发现利用分维理论的修正公式能更好的模拟非饱和渗透系数。在持水特性方面，沈珍瑶等用饱和盐溶液法对膨润土含水率与吸力关系进行了测定并探讨了饱和盐溶液法测定非饱和土土-水特征曲线的有效性。研究结果显示在吸力一定的情况下，膨润土最终含水率与初始干密度和初始含水率无关；温度对试验结果有影响，温度较高的土样平衡含水率较低。
随着对高庙子膨润土的研究，发现纯膨润土存在很多优点，但纯膨润土作为缓冲/回填材料存在两个难以克服的弊端：一是纯膨润土热传导性低不利于辐射热的散发；二是纯膨润土塑性过高导致可施工性差，经济效果不理想。这就引发了学者们的思考和研究——研究开发出能够克服这两个弊端的缓冲/回填材料迫在眉睫。
2.2高庙子膨润土-砂混合物力学特性
大量研究结果显示，在膨润土中加入一定量的石英砂能提高其热传导系数和强度，同时能保持膨润土优良的防渗透性、吸水膨胀自封闭性、吸附性。据此，国内学者针对膨润土-砂混合物的力学特性开展大量的试验研究。
在膨胀力方面，徐永福等通过试验对膨润土-砂混合料中含砂率与单向膨胀力的关系进行了研究。在混合物强度和变形方面，李培勇等采用GDS三轴仪试验系统对膨润土加砂混合物进行了饱和与非饱和状态下三轴固结排水剪切试验研究，发现非饱和与饱和状态下的膨润土-砂混合料有效内摩擦角相近，膨润土-砂混合料的总粘聚力随着基质吸力的增加不断提高。在持水特性方面，孟德林等在低吸力段对不同配合比的高庙子膨润土与砂混合物进行试验，发现在相同掺砂率下，当土样中吸力一定时，土样饱和度随着孔隙比减小而增大，当吸力小于10MPa时，这种现象较为显著，当吸力超过一定范围时，孔隙比对混合物的土-水特征曲线影响不明显。
上述针对膨润土以及膨润土-砂混合物的力学特性研究取得很多研究成果，这对研究缓冲/回填材料的力学特性具有重要意义，同时这些基本力学性质也为今后进行现场试验、数值计算和耦合分析提供了设计参数。
3小结
（1）总结了国际上高放废物地质处置中缓冲/回填材料力学特性的研究进展和成果。
（2）根据我国对高庙子膨润土以及掺砂混合物的研究内容，总结了我国在高放废物地质处置缓冲/回填材料的研究进展和成果。
（3）高放废物地质处置缓冲/回填材料相关特性的研究是一个系统而复杂的过程，今后研究主要方向应为热-水-力-化耦合条件下的力学特性和在室内试验的基础上逐步推进大尺寸试样或现场原位试验的研究。
参考文献
[1]罗嗣海，钱七虎，周文斌等.高放废物深地质处置及其研究概况[J].岩石力学与工程学报，2004，23(5)：831-848.
[2]王驹，郑华铃.我国高放废物地质处置研究十年进展[C].北京：原子能出版社，2004，1-12.
[3]温志坚.中国高放废物深地质处置的缓冲材料选择及其基本性能[J].岩石矿物学，2005，24(6)：583-59.
张红雨，男，1970年出生于河南南阳，工学硕士，工程师。地址：上海市杨浦区四平路2350弄工程指挥部210室，200433

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