CN108461170A - 一种新型高放废物深地质处置缓冲材料及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，将黏土、以花生壳粉末为载体的微生物菌液和加固液搅拌在一起，所述微生物菌液为球性芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、迟缓芽孢杆菌和巴氏芽孢杆菌等配置混合的菌液；所述加固液为氯化钙或硝酸钙和尿素混合的混合溶液；还公开了一种利用该缓冲材料的施工方法，选择处置库，在处置库底部安装隔板，在隔板上放入透水石，透水石上面铺设一层黏土，黏土上面放置高放废物罐，将黏土回填至处置库，打开废液回收罐和气瓶，通入微生物菌液和加固液，将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁，本发明的导热性、可塑性和长期稳定性都非常好，有效保证处置高放废物的安全。

Description

一种新型高放废物深地质处置缓冲材料及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种新型缓冲材料及其施工方法，尤其涉及一种新型高放废物地质处置缓冲材料及其施工方法。
背景技术
核能不断的开发和利用、核工业的生产研究以及核技术应用均会产生一定量的核废物，按照其放射性水平，将其划分为低放废物、中放废物和高放废物，对于低中放废物，目前国际上已经有较为成熟的技术来对其最终安全处置。
高放废物通常是指乏燃料后处理所产生的高放废液及其固化体，以及直接当作废物处置的乏燃料原件。高放废物的特点为放射性水平高、发热量大，并含有对生物极有害的α放射性的长寿命核素。高放废物含有寿命很长的放射性核素，且释放量大持续好几百年的衰变热，必须与生物圈保持长期的隔离，因此急需有效的安全处置方法。
深地质处置目前被国际公认为处置高放废物的有效方法，其目标是将减容和稳定处理后并密封在合适容器里的高放废物放入与生物圈有足够距离的稳定安全场所中的设施里，封闭隔离，并在相当长的时期内阻止有害核素向生物圈迁移，使将来可能产生的核素泄漏和迁移引起的照射剂量不超过国家法律、法规规定的剂量限值。
中国高放废物地质处置库概念模型是一个多重屏障系统，从里往外依次为废物固化体、废物容器及其外包装、缓冲材料和处置库围岩，前三者为人工屏障，后者为天然屏障。缓冲材料是最后一道人工屏障，因此缓冲材料的选择和工程特性对于整个高放废物处置系统显得非常重要。缓冲材料作为高放废物处置库中的工程阻挡层，填充在废物容器和围岩之间，其作用为:①工程屏障作用：缓冲围岩压力对废物罐的影响，保持废物罐处于处置孔中心，维护处置库结构的稳定性；②水力学屏障作用：充填废物容器与围岩间的孔隙和近场岩石中的裂隙或孔隙，阻止地下水(可能含有腐蚀物质)流到废物罐表面；③化学屏障作用：阻滞核素迁移阻止氧化剂到达废物罐表面；处置库设计有一个重要前提：避免氧化侵蚀，因为氧化环境下腐蚀过程会加速，废物溶解度会增加，废物容器被穿透和其内衬被腐蚀必须有水通过裂口加入，同时缓冲材料阻止放射性气体和水溶化合物渗漏到围岩中；④导热作用：传导核燃料残余能量即衰变能及其转化的热量。
借鉴国外处置库的概念设计研究成果，总体上中国的处置库概念设计中处置库的结构型式可参考采用缓冲回填材料的瑞典KBS－3V模式，即多重工程屏障系统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。设计思路就是把放射性废物贮存在准备好的废物容器中，废物容器外面包裹着缓冲材料，再往外就是花岗岩围岩，后面两者组成工程屏障系统。在废物的放置方式和处置巷道与处置孔间距方面可参考以玻璃固化体为处置对象的日本处置库模式。
通常情况高放废物处置库安全有效性应大于一万年,而且这一时限还可能随着人类对环境安全要求的提高而延长。与此相适应,对于处置库屏障层材料的选择和功能要求也是非常高的。综合国际上先进国家的研究认识,缓冲材料的研究应涵盖材料组成及结构特性、材料稳定性、材料物理性能、材料化学缓冲性能、添加剂选择和缓和体系性能、材料工程特性以及热水力化学耦合特性等方面。
国内目前采用膨润土作为缓冲材料，但是膨润土也存在一些弊端，例如：(1)、塑性过高，难以压实至指定的干密度，导致可施工性不佳；(2)、纯膨润土的导热性也不是特别高，可能难以及时将热量传递到周围基岩中去。(3)在长期的地质处置过程中，当地下水渗透缓冲回填材料—膨润土—接触处置罐时，金属处置罐将存在腐蚀泄漏的危险。受膨润土影响，与金属处置罐直接接触的膨润土间隙水溶液与原始地下水中的子种类及浓度存在较大差别，因而处置罐的长期腐蚀演化规律及腐蚀模式也可能发生变化。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种新型高放废物深地质处置缓冲材料及其施工方法，它具有导热性、可塑性和长期稳定性都优，同时在工程上大大降低了缓冲材料的造价，可有效保证处置高放废物的安全并实现极好的经济效益的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，包括将以花生壳粉末为载体的微生物菌液和加固液按照1:1混合搅拌在一起混合溶液，和将混合溶液注入的黏土；所述花生壳粉末占微生物菌液的38％；所述微生物菌液为球性芽孢杆菌20g/L、巴氏芽孢八叠球菌20g/L、巨大芽孢杆菌20g/L、迟缓芽孢杆菌20g/L或巴氏芽孢杆菌20g/L、酵母提取物20g/L、氯化铵10g/L、 MnCl2·H2O12mg/L、NiCl2·6H2O24mg/L、蒸馏水1000g/L配置混合在一起的菌液；所述加固液为氯化钙1mol/L或硝酸钙1mol/L和尿素1.5mol/L混合在一起的混合溶液。
所述加固液制作温度30℃；所述微生物菌液制作温度为30℃。
所述花生壳粉末的粒径小于等于2mm，所述花生粉末与微生物菌液混合制作温度为 30-40℃。
一种新型高放废物深地质处置的施工方法，具体步骤为：
步骤一：选择处置库，所述处置库将天然的基岩作为保证高放废物的长期隔离的天然屏障；
步骤二：在处置库底部安装隔板，并在隔板上放入透水石；
步骤三：在透水石上面铺设一层黏土，在黏土上面放置高放废物罐；
步骤四：将黏土回填至处置库；
步骤五：将菌液储存罐和加固液储存瓶通过管道接入到处置库的顶部，将气瓶也通过另一根管道接入处置库内隔板的下面，将废液回收罐通过反吸泵经管道接入处置库的底部；
步骤六：打开菌液储存罐，向处置库中通入以花生壳粉末为载体的微生物菌液；
步骤七：打开加固液储存瓶通入以氯化钙或者硝酸钙和尿素混合制成的加固液，加固液分3-7次通入，直至黏土达到预设的强度；
步骤八：打开反吸泵，将底部渗出的废液回收至废液回收罐，同时打开气瓶；
步骤九：将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁。
所述基岩为花岗岩、黏土岩、岩盐、泥灰岩、凝灰岩、沉积岩中的一种。
所述高放废物罐为金属制作的金属高放废物罐。
所述金属高放废物罐为铜高放废物罐或钛高放废物罐或铸铁高放废物罐或钢高放废物罐。
所述步骤三中在透水石上面铺设一层黏土，黏土的厚度为2-3cm。
所述步骤四中将黏土回填至处置库，其具体方法为：
a.清理处置库底部，保证处置库底面无腐土和杂物；
b.分层回填，每一层的厚度为30cm，控制回填面高程及回填厚度，保证层间结合牢固。
所述步骤九中将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁，其具体步骤为：
a.对回填的黏土进行初步整平，使其表面平整，厚度均匀；
b.利用机械设备对黏土表面进行碾压夯实封面；
c.碾压完成后，进行收面，确保微生物加固黏土表面平整光洁。
本发明的有益效果：本发明的导热性、可塑性和长期稳定性都非常好，可以有效保证处置高放废物的安全，实现极好的经济效益。
1.本发明用花生壳粉末作为载体，有效地实现了微生物处理黏土过程中均匀性的问题，使微生物的矿化作用能够在黏土中更加均匀的实现；
2.本发明中的黏土经过微生物菌液处理后用作缓冲材料，能够很好的隔绝高放废物中核素的泄漏；
3.本发明使用微生物菌液加固的黏土进行加固，可以有效地利用高放废物的热量，使微生物大量快速的繁殖，不仅有助于微生物的快速发展，还能够有效的耗散热量；
4.本发明中采用的黏土，持水能力强，地下水在其作为缓冲介质的条件下，流动性差，形成有效的水力学屏障；
5.本发明中通入以花生壳粉末为载体的微生物菌液时，打开废液回收罐，保证缓冲材料的干燥性，同时打开气瓶，保证微生物在繁殖过程中有足够的氧气进行补充。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，包括将以花生壳粉末为载体的微生物菌液和加固液按照1:1混合搅拌在一起混合溶液，和将混合溶液注入的黏土；所述花生壳粉末占微生物菌液的38％；所述微生物菌液为球性芽孢杆菌20g/L、巴氏芽孢八叠球菌20g/L、巨大芽孢杆菌20g/L、迟缓芽孢杆菌20g/L或巴氏芽孢杆菌20g/L、酵母提取物20g/L、氯化铵10g/L、 MnCl2·H2O12mg/L、NiCl2·6H2O24mg/L、蒸馏水1000g/L配置混合在一起的菌液；所述加固液为氯化钙1mol/L和尿素1.5mol/L混合在一起的混合溶液。
所述加固液制作温度30℃；所述微生物菌液制作温度为30℃。
所述花生壳粉末的粒径小于等于2mm，所述花生粉末与微生物菌液混合制作温度为 30-40℃。
一种新型高放废物深地质处置的施工方法，具体步骤为：
步骤一：选择处置库，所述处置库将天然的基岩作为保证高放废物的长期隔离的天然屏障；
步骤二：在处置库底部安装隔板，并在隔板上放入透水石；
步骤三：在透水石上面铺设一层黏土，在黏土上面放置高放废物罐；
步骤四：将黏土回填至处置库；
a.清理处置库底部，保证处置库底面无腐土和杂物；
b.分层回填，每一层的厚度为30cm，控制回填面高程及回填厚度，保证层间结合牢固。
步骤五：将菌液储存罐和加固液储存瓶通过管道接入到处置库的顶部，将气瓶也通过另一根管道接入处置库内隔板的下面，将废液回收罐通过反吸泵经管道接入处置库的底部；
步骤六：打开菌液储存罐，向处置库中通入以花生壳粉末为载体的微生物菌液；以花生粉末为载体，花生壳粉末的造价最低且对环境造成的污染最小，其加固效果也非常显著；
通入以花生壳粉末为载体的微生物菌液，相比于直接通入微生物菌液，其加固强度可以提升61％，微生物菌液通过管路首次通入时，要使微生物菌液持续通入3-4小时的时间，保证足够多的微生物附着在黏土中，以避免由于微生物菌液中由于微生物浓度不够造成后其加固强度不足，为保证微生物菌液的持续通灌，每次要提前准备好微生物菌液。
步骤七：打开加固液储存瓶通入以氯化钙或者硝酸钙和尿素混合制成的加固液，加固液分3-7次通入；
步骤八：打开反吸泵，将底部渗出的废液回收至废液回收罐，同时打开气瓶；
步骤九：将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁；
a.对回填的黏土进行初步整平，使其表面平整，厚度均匀；
b.利用机械设备对黏土表面进行碾压夯实封面；
c.碾压完成后，进行收面，确保微生物加固黏土表面平整光洁。
将微生物菌液和加固液通入到黏土中，形成微生物加固黏土，即缓冲材料，其特点为：
(1)、微生物加固黏土能挤入到钻孔壁周围的裂缝中从而填满人设空穴，同时也对高放废物体本身施加适当的压力；
(2)、高放废物放射的热量可以提供微生物生长繁殖所需要的热量，利用这些剩余的热辐射可以快速完成黏土的加固；
(3)、以微生物为晶核，矿化形成的碳酸钙晶体，在较高的温度下活性更高，因此高放废物罐周围矿化结晶更多，形成一层保护膜，有效保护了高放废物罐的进一步腐蚀。
(4)有效的吸收高放废物放射出的残余热量；
(5)、黏土的持水能力强，地下水在其作为缓冲介质的条件下，流动性差，形成有效的水力学屏障。
(6)、加固液中的阳离子与微生物加固黏土进行离子交换，能产生进一步的次生影响，如：矿化作用中产生大量的碳酸盐，使PH增高，导致近场化学发生有意义的变化。
基岩为花岗岩、黏土岩、岩盐、泥灰岩、凝灰岩、沉积岩中的一种。
(1)、花岗岩：指花岗岩、辉长岩和玄武岩等块状坚硬的火成岩或变质岩。总孔隙度低及常有节理和断裂(宽度从几十米至几厘米)是这些岩类的一般特点。(广泛应用于加拿大，芬兰，捷克，瑞典，硬度，法国，瑞士，日本，德国等)
2)、黏土岩：黏土岩是沉积岩中分布最广的一类岩石。其中，黏土矿物的含量通常大于 50％，粒度在0.005～0.0039mm范围以下。主要由高岭石族、多水高岭石族、蒙脱石族、水云母族和绿泥石族矿物组成。页岩由黏土物质硬化形成的微小颗粒易裂碎，很容易分裂成为明显的岩层。粘土岩的一种。成分复杂，除粘土矿物外，还含有许多碎屑矿物和自生矿物。具页状或薄片状层理。用硬物击打易裂成碎片。是由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成。页岩抵抗风化的能力弱，在地形上往往因侵蚀形成低山、谷地。页岩不透水，在地下水分布中往往成为隔水层。(主要用于比利时、法国、瑞士和德国等)。
3)、岩盐：又称岩盐，化学成分为NaCl，晶体都属等轴晶系六八面体晶类的卤化物。单晶体呈立方体，在立方体晶面上常有阶梯状凹陷，集合体常呈粒状或块状。纯净的石盐无色透明，含杂质时呈浅灰、黄、红、黑等色。(主要用于白俄罗斯、荷兰和乌克兰等地)
4)、泥灰岩：泥质灰岩化学组成CaCO3,CaO 56.03％，CO2 43.97％。常含有锰和铁；鉴定特征可以从硬度3、菱形的解理、浅色、玻璃光泽和与冷稀HCl相遇剧烈气泡遇，予以鉴定。亦可以作钙的试验。它和白云石很类似，而且共生在一起。不过白云石要在热的盐酸中，才有显著的气泡反应。它和霰石不同之处是比霰石轻，霰石的比重是2.9～5；为灰岩的风化土状物，夹有黏土和砂岩。(主要用于保加利亚)
5)、凝灰岩：凝灰岩是一种火山碎屑岩，其组成的火山碎屑物质有50％以上的颗粒直径小于2mm，成分主要是火山灰，外貌疏松或致密，有层理的称为层凝灰岩，颜色多样，有紫红色、灰白色、灰绿色等。根据其含有的火山碎屑成分，可以分为:晶屑凝灰岩；玻屑凝灰岩；岩屑凝灰岩。凝灰岩是常用的建筑材料，也可以作为制造水泥的原料和提取钾肥的原料。(主要用于美国)
6)沉积岩：三大岩类的一种，又称为水成岩，是三种组成地球岩石圈的主要岩石之一(另外两种是岩浆岩和变质岩)。是在地表不太深的地方，将其他岩石的风化产物和一些火山喷发物，经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。在地球地表，有70％的岩石是沉积岩，但如果从地球表面到16公里深的整个岩石圈算，沉积岩只占5％。沉积岩主要包括石灰岩、砂岩、页岩等。沉积岩中所含有的矿产，占全部世界矿产蕴藏量的80％。
高放废物罐为金属制作的金属高放废物罐,金属高放废物罐为铜高放废物罐或钛高放废物罐或铸铁高放废物罐或钢高放废物罐，
上述对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，其特征在于，包括将以花生壳粉末为载体的微生物菌液和加固液按照1:1混合搅拌在一起混合溶液，和将混合溶液注入的黏土；所述花生壳粉末占微生物菌液的38%；所述微生物菌液为球性芽孢杆菌20g/L、巴氏芽孢八叠球菌20g/L、巨大芽孢杆菌20g/L、迟缓芽孢杆菌20g/L或巴氏芽孢杆菌20g/L、酵母提取物20g/L、氯化铵10g/L、MnCl2•H2O12mg/L、NiCl2•6H2O24mg/L、蒸馏水1000g/L配置混合在一起的菌液；所述加固液为氯化钙1mol/L或硝酸钙1mol/L和尿素1.5mol/L混合在一起的混合溶液。
2.如权利要求1所述的一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，其特征在于，所述加固液制作温度30℃；所述微生物菌液制作温度为30℃。
3.如权利要求1所述的一种新型高放废物深地质处置缓冲材料，其特征在于，所述花生壳粉末的粒径小于等于2mm，所述花生粉末与微生物菌液混合制作温度为30-40℃。
4.利用权1所公开的缓冲材料高放废物深地质处置的施工方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：选择处置库，所述处置库将天然的基岩作为保证高放废物的长期隔离的天然屏障；
步骤二：在处置库底部安装隔板，并在隔板上放入透水石；
步骤三：在透水石上面铺设一层黏土，在黏土上面放置高放废物罐；
步骤四：将黏土回填至处置库；
步骤五：将菌液储存罐和加固液储存瓶通过管道接入到处置库的顶部，将气瓶也通过另一根管道接入处置库内隔板的下面，将废液回收罐通过反吸泵经管道接入处置库的底部；
步骤六：打开菌液储存罐，向处置库中通入以花生壳粉末为载体的微生物菌液；
步骤七：打开加固液储存瓶通入以氯化钙或者硝酸钙和尿素混合制成的加固液，加固液分3-7次通入；
步骤八：打开反吸泵，将底部渗出的废液回收至废液回收罐，同时打开气瓶；
步骤九：将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁。
5.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述基岩为花岗岩、黏土岩、岩盐、泥灰岩、凝灰岩、沉积岩中的一种。
6.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述高放废物罐为金属制作的金属高放废物罐。
7.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述金属高放废物罐为铜高放废物罐或钛高放废物罐或铸铁高放废物罐或钢高放废物罐。
8.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述步骤三中在透水石上面铺设一层黏土，黏土的厚度为2-3cm。
9.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述步骤四中将黏土回填至处置库，其具体方法为：
a.清理处置库底部，保证处置库底面无腐土和杂物；
b.分层回填，每一层的厚度为30cm，控制回填面高程及回填厚度，保证层间结合牢固。
10.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述步骤九中将处置库表面的黏土碾压封面，加固黏土表面平整光洁，其具体步骤为：
a.对回填的黏土进行初步整平，使其表面平整，厚度均匀；
b.利用机械设备对黏土表面进行碾压夯实封面；
c. 碾压完成后，进行收面，确保微生物加固黏土表面平整光洁。
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