CN110274867A - 一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高放废物地质处置技术领域，具体涉及一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统及方法。高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统设置在地下实验室中，包括设置在地下实验室的主岩中的试验巷道，设置在试验巷道中被若干膨润土块包裹的加热元件，膨润土块构成工程屏障，散布在膨润土块中的若干传感器，向试验巷道内供水的水输入系统，连接、监测、控制加热元件、传感器、水输入系统的控制及数据采集系统。该系统可以在最接近真实的处置库条件下，模拟工程屏障与高放废物容器和处置库围岩在地下水、衰变热和辐射作用影响下复杂的热‑水‑力‑化学耦合作用，研究工程屏障的行为和功能。
Description
技术领域
本发明属于高放废物地质处置技术领域，具体涉及一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统及方法。
背景技术
典型的高放废物地质处置方式(见图1所示)：将装有玻璃固化体或乏燃料的废物体放置于处置巷道的处置钻孔中，周围装填有工程屏障(高压实膨润土块)并处于一定合适深度的主岩中。
其中，工程屏障是高放废物地质处置中重要的人工屏障，工程屏障与高放废物容器和处置库围岩在地下水、衰变热和辐射作用的影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用，工程屏障是否能长期有效地发挥其屏障的作用，必须通过现场试验研究来证明。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在我国高放废物地下实验室开展的工程屏障全尺寸试验，以最接近真实的高放废物地质处置库现场条件，示范我国高放废物处置概念工程屏障系统摆放的可行性，研究工程屏障在真实处置环境中的行为和功能。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，设置在地下实验室中，其中，包括设置在所述地下实验室的主岩中的试验巷道，设置在所述试验巷道中被若干膨润土块包裹的加热元件，所述膨润土块构成工程屏障，散布在所述膨润土块中的若干传感器，向所述试验巷道内供水的水输入系统，连接、监测、控制所述加热元件、传感器、水输入系统的控制及数据采集系统。
进一步，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
更进一步，所述加热元件与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸。
进一步，所述膨润土块为经过预制及高压实后的膨润土块；所述试验巷道为水平设置，所述加热元件设置在所述试验巷道的轴线位置，且所述试验巷道、加热元件同轴。
进一步，还包括设置在所述试验巷道中的圆筒形的钢套管内衬，所述钢套管内衬为水平设置，所述加热元件设置在所述钢套管内衬的轴线位置，且所述试验巷道、钢套管内衬、加热元件同轴。
为达到以上目的，本发明还公开了一种用于上述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，包括如下步骤：
(S1)在所述地下实验室内选择一处合适的场址；
(S2)开挖所述试验巷道，将水电接入条件准备完毕，使所述水输入系统与所述试验巷道连接，能够为所述试验巷道提供模拟地下水；
(S3)将所述膨润土块摆放进所述试验巷道中，构建所述工程屏障，所述膨润土块外部与构成所述试验巷道的地下实验室的主岩接触，内部预留出放置所述加热元件的空间；
(S4)布置所述加热元件，使所述加热元件在所述膨润土块内的预留空间中安放到位；
(S5)仪器设备准备，在所述膨润土块中设置传感器；
(S6)检测设置系统准备，设置控制及数据采集系统，使所述加热元件、传感器、水输入系统与所述设置控制及数据采集系统连接；
(S7)完成高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的调试；
(S8)开始原地多场耦合试验，开启所述加热元件，通过所述水输入系统控制进入所述工程屏障的水输入量，通过控制及数据采集系统研究所述工程屏障在真实处置环境中的行为和功能。
进一步，在步骤(S2)中还包括，修建一套输送轨道，用于输送所述加热元件。
进一步，在步骤(S4)中还包括，利用所述输送轨道将所述加热元件送入所述工程屏障中。
进一步，在步骤(S3)中还包括先对所述膨润土块进行预制及压实。
更进一步，所述加热元件与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
本发明的有益效果在于：
1.相比工程屏障实验室和实验室大型台架(Mock-up)试验研究，该发明所提供的工程屏障试验方法，其研究尺度与我国真实高放废物处置概念相一致，为1:1尺度的全尺寸原地现场试验方法。可以在最接近真实的处置库条件下，模拟工程屏障与高放废物容器和处置库围岩在地下水、衰变热和辐射作用影响下复杂的热-水-力-化学耦合作用，研究工程屏障的行为和功能；
2.可以在真实的高放废物地下实验室条件下，示范我国的高放废物地质处置概念工程屏障系统摆放的可行性；
3.采用与保存高放废物的高放射性废物桶1:1尺寸的加热元件代替真实的废物体来模拟废物热源，不仅可以建立更真实的释热源项，而且可以避免采用真实的废物体开展实验的一系列问题(如环境、人员辐射防护等)，便于后续场址退役和取样分析。
附图说明
图1是背景技术中典型的高放废物地质处置方式的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的第一示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的第二示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法的流程图；
图中：1-废物体或乏燃料外包装容器，2-废物体或乏燃料，3-处置巷道及主岩，4-膨润土块，5-钢套管内衬，6-加热元件，7-试验巷道，8-水输入系统，9-控制及数据采集系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图2、图3所示，本发明提供的一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，设置在地下实验室中，由5个物理单元组成：1试验巷道；2工程屏障；3加热系统；4试验仪器设备；5监测和控制系统，具体包括膨润土块4、钢套管内衬5、加热元件6、试验巷道7、水输入系统8、控制及数据采集系统9以及传感器等。
试验巷道7设置在地下实验室的主岩中，试验巷道7内设置若干膨润土块4，构成工程屏障(膨润土块4为经过预制及高压实后的膨润土块)，工程屏障包裹的加热元件6，膨润土块4构成工程屏障，工程屏障内部设有预留空间，用于放置加热元件6；若干传感器分散布至在膨润土块4中；水输入系统8与试验巷道7内的工程屏障相连，用于向试验巷道7内供水用于模拟地下水；控制及数据采集系统9连接加热元件6、传感器、水输入系统8，并对加热元件6、传感器、水输入系统8进行监测、控制。
传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
加热元件6与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸，用于模拟高放射性废物桶的衰变热。高放射性废物桶包括废物体或乏燃料外包装容器。
试验巷道7为水平设置，加热元件6设置在试验巷道7的轴线位置，且试验巷道7、加热元件6同轴。
此外，还可以根据实验需要将圆筒形的钢套管内衬5设置在试验巷道7中。钢套管内衬5为水平设置，加热元件6设置在所述钢套管内衬5的轴线位置，且试验巷道7、钢套管内衬5、加热元件6同轴。在实际情况下，可根据需要在试验开展过程中确定是否添加钢套管内衬5。比如试验巷道表面不规则，添加钢套管内衬更易于布置膨润土块；一些试验主要考虑加热原件(模拟废物体)与膨润土块之间的相互作用，则可以添加钢套管内衬将其单独隔离。而且钢套管内衬还能够根据现场实际试验需求和处置概念不同以确定有无或表面具体形状，例如在一种试验设计过程中，钢套管内衬表面设计有许多均匀布置的“空孔”，试验可考虑到膨润土与主岩的接触作用，同时也方便了膨润土块和加热原件的布置。
如图4所示，为了达到以上目的，本发明还提供了采用上述高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，包括如下步骤：
步骤S1，在地下实验室内选择一处合适的场址；
步骤S2，开挖试验巷道7，将水电接入条件准备完毕，使水输入系统8与试验巷道7连接，能够为试验巷道7提供模拟地下水；修建一套输送轨道，用于输送加热元件6；
步骤S3，先对膨润土块4进行预制及压实，再将膨润土块4摆放进试验巷道7中，构建工程屏障，膨润土块4外部与构成试验巷道7的地下实验室的主岩接触，内部预留出放置加热元件6的空间；
步骤S4，布置加热元件6，利用输送轨道将加热元件6送入工程屏障中，使加热元件6在膨润土块4内的预留空间中安放到位；
步骤S5，仪器设备准备，在膨润土块4中设置传感器；
步骤S6，检测设置系统准备，设置控制及数据采集系统9，使加热元件6、传感器、水输入系统8与设置控制及数据采集系统9连接；
步骤S7，完成高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的调试；
步骤S8，开始原地多场耦合试验，开启加热元件6，通过水输入系统8控制进入工程屏障的水输入量，通过控制及数据采集系统9研究工程屏障在真实处置环境中的行为和功能。
加热元件6与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸，传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
当高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统采用设有钢套管内衬的方式时，在实验中，膨润土块的外部并不能与试验巷道所在的地下实验室的主岩直接接触，但在试验过程中膨润土块受到主岩的应力作用不受影响，即试验过程模拟的热水力耦合不受影响。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (10)
1.一种高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，设置在地下实验室中，其特征是：包括设置在所述地下实验室的主岩中的试验巷道(7)，设置在所述试验巷道(7)中被若干膨润土块(4)包裹的加热元件(6)，所述膨润土块(4)构成工程屏障，散布在所述膨润土块(4)中的若干传感器，向所述试验巷道(7)内供水的水输入系统(8)，连接、监测、控制所述加热元件(6)、传感器、水输入系统(8)的控制及数据采集系统(9)。
2.如权利要求1所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，其特征是：所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
3.如权利要求2所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，其特征是：所述加热元件(6)与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸。
4.如权利要求3所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，其特征是：所述膨润土块(4)为经过预制及高压实后的膨润土块；所述试验巷道(7)为水平设置，所述加热元件(6)设置在所述试验巷道(7)的轴线位置，且所述试验巷道(7)、加热元件(6)同轴。
5.如权利要求4所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统，其特征是：还包括设置在所述试验巷道(7)中的圆筒形的钢套管内衬(5)，所述钢套管内衬(5)为水平设置，所述加热元件(6)设置在所述钢套管内衬(5)的轴线位置，且所述试验巷道(7)、钢套管内衬(5)、加热元件(6)同轴。
6.如权利要求1所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，包括如下步骤：
(S1)在所述地下实验室内选择一处合适的场址；
(S2)开挖所述试验巷道(7)，将水电接入条件准备完毕，使所述水输入系统(8)与所述试验巷道(7)连接，能够为所述试验巷道(7)提供模拟地下水；
(S3)将所述膨润土块(4)摆放进所述试验巷道(7)中，构建所述工程屏障，所述膨润土块(4)外部与构成所述试验巷道(7)的地下实验室的主岩接触，内部预留出放置所述加热元件(6)的空间；
(S4)布置所述加热元件(6)，使所述加热元件(6)在所述膨润土块(4)内的预留空间中安放到位；
(S5)仪器设备准备，在所述膨润土块(4)中设置传感器；
(S6)检测设置系统准备，设置控制及数据采集系统(9)，使所述加热元件(6)、传感器、水输入系统(8)与所述设置控制及数据采集系统(9)连接；
(S7)完成高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验系统的调试；
(S8)开始原地多场耦合试验，开启所述加热元件(6)，通过所述水输入系统(8)控制进入所述工程屏障的水输入量，通过控制及数据采集系统(9)研究所述工程屏障在真实处置环境中的行为和功能。
7.如权利要求6所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，其特征是：在步骤(S2)中还包括，修建一套输送轨道，用于输送所述加热元件(6)。
8.如权利要求7所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，其特征是：在步骤(S4)中还包括，利用所述输送轨道将所述加热元件(6)送入所述工程屏障中。
9.如权利要求6所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，其特征是：在步骤(S3)中还包括先对所述膨润土块(4)进行预制及压实。
10.如权利要求6所述的高放废物地质处置全尺寸工程屏障试验方法，其特征是：所述加热元件(6)与保存高放废物的高放射性废物桶为1:1的尺寸，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
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