CN113359200B - 一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法 - Google Patents

一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法，适用于核废料掩埋场使用。其包括核磁共振测量系统，井下控制中心与地面综合管控中心。在地面综合管控中心远程操控核磁共振测量系统，对核废料掩埋场不同位置处的水分布情况进行实时监测，通过井下控制中心汇总所测数据，再通过光纤传输至地面综合管控中心，对数据进行分析与处理，根据结果判断是否有水侵入，并对异常情况做出预警，制定应对措施，保护核废料掩埋场的持久性安全。该监测系统具有简单、方便和智能的特点。

Description

一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种核废料掩埋场水体监测系统及方法，尤其适用于核废料掩埋场使用的一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法。
背景技术
随着各国核能发电产业的快速发展，产生了大量具有高放射性的核废料，核废料的安全处置受到了社会极大的关注。目前被各国所广泛接受的处置方式是把装有高放废物的金属罐埋在足够深的地下（500~1000m）岩层中，金属罐外用缓冲材料包裹、回填并夯实。通过建造一个天然屏障和工程屏障相互补充的多重屏障体系，使高放废物对人类和环境的有害影响低于规定的限值。
膨润土由于具有较高的膨胀性、较低的渗透性以及优良的核素吸附等性能，常被用来作为核废料罐和周围岩体之间的人工隔离屏障。当核废料处置库投入运营后，一方面处置库内核废料衰变放热会导致处置库周围的缓冲/回填材料温度升高，发生膨胀，另一方面在围岩高压力水头的作用下周围岩石内的水会向膨润土内渗透，使得膨润土饱和度持续上升，引起膨润土微观结构及渗透性的明显改变，从而影响膨润土的密封性以及阻滞核素迁移的能力。因此，为了确保隔离屏障的长期安全性，有必要通过一些技术手段掌握膨润土是否被水突破，并在水突破屏障前启动应急预案，保护核废料掩埋场的持久性安全。
核磁共振是一种能直接测量地层物性和流体特征的方法，通过测试和计算能得到地层中的可动流体、束缚流体含量、岩体孔隙度、渗透率等关键流体参数信息，其最大的优点是只测量地层中的流体信息，且其信号不受岩石骨架的影响。因此，核磁共振技术可用于对核废料掩埋场的水体监测。然而，现有的核磁共振测井仪器尺寸与重量较大，技术门槛很高，价格昂贵，且探水过程费时费力，无法满足大规模连续探测的要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统及方法，通过在膨润土中实施钻孔并布置微型核磁共振传感器探头，实时监测核废料掩埋场不同位置处的水分布情况，判断保护层膨润土是否被水突破，以便在水突破屏障前启动应急预案，保护核废料掩埋场的持久性安全。
技术方案：本发明提供基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统，其特征在于：它包括设置在核废料掩埋场内用以检测区域水泄露的核磁共振测量系统，设置在远离核废料掩埋场的地下巷道中的井下控制中心，以及地面综合管控中心，其中核磁共振测量系统通过井下控制中心将监测数据实时发送至地面综合管控中心；地面综合管控中心、井下控制中心以及核磁共振测量系统之间通过光纤相互连接并进行数据传输与通信；
其中核磁共振测量系统包括多个微型核磁共振传感器探头、探头控制线和探头控制器，其中微型核磁共振传感器探头布置在装有核废料的核废料罐周围的钻孔中，微型核磁共振传感器探头通过探头控制线与设置在地下巷道中的探头控制器连接，探头控制器通过控制探头控制线的伸出长度控制核磁共振传感器在钻孔内的上下移动，以实现不同深度的信号测试并记录测试深度。
所述微型核磁共振传感器探头包括射频系统、信号接收系统、功放系统；其中射频系统用于向周围发出射频脉冲，信号接收系统用于接收外接反馈的核磁共振信号，功放系统用于将接受到的核磁共振信号放大后输出。
所述探头控制器包括数据存储系统和提升系统；其中提升系统包括电动绞盘和设置在电动绞盘并与型核磁共振传感器探头连接的探头控制线。
所述微型核磁共振传感器探头为柱状结构，直径40~50mm，总长度100~150mm；微型核磁共振传感器探头的外壳由能耐200℃高温的高强度无磁钢制成。
所述核废料罐设置在围岩中的沉积隧洞内，核废料罐与沉积隧洞之间充填有缓冲材料，用以设置微型核磁共振传感器探头的钻孔数量为8~12个，在缓冲材料中靠近围岩部分围绕核废料罐圆周方向均匀分布；所述用以设置微型核磁共振传感器探头的钻孔直径为60~70mm。
一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统的监测方法，包括以下步骤：
a. 在已经埋好核废料的沉积隧洞中靠近围岩的缓冲材料中沿圆周方向施工多个钻孔至沉积隧洞底部；
b. 在每个所述钻孔中安装一个所述微型核磁共振传感器探头，并通过探头控制线将多个微型核磁共振传感器探头与探头控制器相互连接，随后封孔并通过光纤建立探头控制器与井下控制中心之间的信号连接；
c. 在其他核废料掩埋隧洞重复a~b步骤，待所有核废料掩埋隧洞都已布置好微型核磁共振传感器探头后，可进行信号探测；
d. 在地面综合管控中心发布控制信号，信号通过光纤经工程竖井传输至所述井下控制中心，进一步传输至所述探头控制器，通过探头控制线控制多个微型核磁共振传感器探头在所述钻孔内的上下移动并同步实施信号采集。
微型核磁共振传感器探头信号采集具体为：
微型核磁共振传感器探头利用射频系统提供静磁场B0并发射射频脉冲产生射频磁场B1，使微型核磁共振传感器探头周围的孔隙水被极化并产生核磁共振信号，所述信号接收系统接收核磁共振信号并将其转换为数字信号，所述功放系统将信号放大并通过探头控制线传输至探头控制器；所述探头控制器中的数据存储系统保存所述微型核磁共振传感器探头所采集的数据，所述提升系统通过电动绞盘转动，控制微型核磁共振传感器探头在钻孔中上下移动并记录微型核磁共振传感器探头所处的深度信息；微型核磁共振传感器探头的采集数据以及对应的深度信息通过光纤传输至井下控制中心，进一步经工程竖井传输至地面综合管控中心进行数据分析，达到实时监测的目的；
地面综合管控中心进行的数据分析具体为：
地面综合管控中心将收集到的每个核磁共振传感器探头所测得的作为回波串的核磁共振信号进行反演、拟合、滤波处理，结合探头控制器记录的深度数据，输出核废料掩埋场不同位置处的束缚水孔隙度、有效孔隙度、孔径分布、自由水含量信息，最终利用上述信息得到核废料掩埋地质体周围水含量的三维动态分布图；当某一位置处的水含量相对变化超过设定的阈值时，说明该位置处的膨润土已被水突破，需立即预警并采取应对措施。
有益效果：本发明在核废料处理技术领域使用了核磁共振测井仪检检测预防水侵入，使用的微型核磁共振传感器成本低、尺寸小，通过光纤进行数据传输与通讯，从地面远程控制传感器在井下核废料掩埋场的信号采集，并在地面进行数据分析与处理，能够动态监测井下核废料掩埋地质体周围的水分布情况，以保护核废料掩埋场的持久性安全；该监测方法具有简单、方便与智能的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统总体示意图；
图2是本发明实施例提供的如图1 所示的核废料罐掩埋隧洞的俯视图以及缓冲材料中的钻孔布置方式示意图；
图3是本发明实施例提供的如图1所示的微型核磁共振传感器探头与探头控制器的系统框架以及各系统之间的连接示意图；
图中：1-地面综合管控中心，2-光纤，3-工程竖井，4-井下控制中心，5-围岩，6-地下巷道，7-探头控制器，7-1-数据存储系统、7-2-提升系统，8-探头控制线，9-微型核磁共振传感器探头，9-1-射频系统、9-2-信号接收系统、9-3-功放系统，10-缓冲材料，11-沉积隧洞，12-核废料罐，13-核废料，14-钻孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明的基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统，包括设置在核废料掩埋场内用以检测区域水泄露的核磁共振测量系统，设置在远离核废料掩埋场的地下巷道6中的井下控制中心4，以及地面综合管控中心1，其中核磁共振测量系统通过井下控制中心4将监测数据实时发送至地面综合管控中心1；地面综合管控中心1、井下控制中心4以及核磁共振测量系统之间通过光纤2相互连接并进行数据传输与通信；
如图2所示，其中核磁共振测量系统包括多个微型核磁共振传感器探头9、探头控制线8和探头控制器7，其中微型核磁共振传感器探头9布置在装有核废料13的核废料罐12周围的钻孔14中，微型核磁共振传感器探头9通过探头控制线8与设置在地下巷道6中的探头控制器7连接，探头控制器7通过控制探头控制线8的伸出长度控制核磁共振传感器9在钻孔14内的上下移动，以实现不同深度的信号测试并记录测试深度；
如图3所示，微型核磁共振传感器探头9为柱状结构，直径40~50mm，总长度100~150mm；微型核磁共振传感器探头9的外壳由能耐200℃高温的高强度无磁钢制成；微型核磁共振传感器探头9包括射频系统9-1、信号接收系统9-2、功放系统9-3；其中射频系统9-1用于向周围发出射频脉冲，信号接收系统9-2用于接收外接反馈的核磁共振信号，功放系统9-3用于将接受到的核磁共振信号放大后输出。探头控制器7包括数据存储系统7-1和提升系统7-2；其中提升系统7-2包括电动绞盘和设置在电动绞盘并与型核磁共振传感器探头9连接的探头控制线8。
所述核废料罐12设置在围岩5中的沉积隧洞11内，核废料罐12与沉积隧洞11之间充填有缓冲材料10，用以设置微型核磁共振传感器探头9的钻孔14数量为8~12个，在缓冲材料10中靠近围岩5部分围绕核废料罐12圆周方向均匀分布；所述用以设置微型核磁共振传感器探头9的钻孔14直径为60~70mm。
一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统的监测方法，包括以下步骤：
a. 在已经埋好核废料的沉积隧洞11中靠近围岩5的缓冲材料10中沿圆周方向施工多个钻孔14至沉积隧洞11底部；
b. 在每个所述钻孔14中安装一个所述微型核磁共振传感器探头9，并通过探头控制线8将多个微型核磁共振传感器探头9与探头控制器7相互连接，随后封孔并通过光纤2建立探头控制器7与井下控制中心4之间的信号连接；
c. 在其他核废料掩埋隧洞重复a~b步骤，待所有核废料掩埋隧洞都已布置好微型核磁共振传感器探头9后，可进行信号探测；
d. 在地面综合管控中心1发布控制信号，信号通过光纤2经工程竖井3传输至所述井下控制中心4，进一步传输至所述探头控制器7，通过探头控制线8控制多个微型核磁共振传感器探头9在所述钻孔14内的上下移动并同步实施信号采集。
微型核磁共振传感器探头9信号采集具体为：
微型核磁共振传感器探头9利用射频系统9-1提供静磁场B0并发射射频脉冲产生射频磁场B1，使微型核磁共振传感器探头9周围的孔隙水被极化并产生核磁共振信号，所述信号接收系统9-2接收核磁共振信号并将其转换为数字信号，所述功放系统9-3将信号放大并通过探头控制线8传输至探头控制器7；所述探头控制器7中的数据存储系统7-1保存所述微型核磁共振传感器探头9所采集的数据，所述提升系统7-2通过电动绞盘转动，控制微型核磁共振传感器探头9在钻孔14中上下移动并记录微型核磁共振传感器探头9所处的深度信息；微型核磁共振传感器探头9的采集数据以及对应的深度信息通过光纤2传输至井下控制中心4，进一步经工程竖井3传输至地面综合管控中心1进行数据分析，达到实时监测的目的；
地面综合管控中心1进行的数据分析具体为：
地面综合管控中心1将收集到的每个核磁共振传感器探头9所测得的作为回波串的核磁共振信号进行反演、拟合、滤波处理，结合探头控制器7记录的深度数据，输出核废料掩埋场不同位置处的束缚水孔隙度、有效孔隙度、孔径分布、自由水含量信息，最终利用上述信息得到核废料掩埋地质体周围水含量的三维动态分布图；当某一位置处的水含量相对变化超过设定的阈值时，说明该位置处的膨润土已被水突破，需立即预警并采取应对措施。

Claims (2)

1.一种基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统，其特征在于：它包括设置在核废料掩埋场内用以检测区域水泄露的核磁共振测量系统，设置在远离核废料掩埋场的地下巷道（6）中的井下控制中心（4），以及地面综合管控中心（1），其中核磁共振测量系统通过井下控制中心（4）将监测数据实时发送至地面综合管控中心（1）；地面综合管控中心（1）、井下控制中心（4）以及核磁共振测量系统之间通过光纤（2）相互连接并进行数据传输与通信；
其中核磁共振测量系统包括多个微型核磁共振传感器探头（9）、探头控制线（8）和探头控制器（7），其中微型核磁共振传感器探头（9）布置在装有核废料（13）的核废料罐（12）周围的钻孔（14）中，微型核磁共振传感器探头（9）通过探头控制线（8）与设置在地下巷道（6）中的探头控制器（7）连接，探头控制器（7）通过控制探头控制线（8）的伸出长度控制核磁共振传感器（9）在钻孔（14）内的上下移动，以实现不同深度的信号测试并记录测试深度；
监测方法，包括以下步骤：
a. 在已经埋好核废料的沉积隧洞（11）中靠近围岩（5）的缓冲材料（10）中沿圆周方向施工多个钻孔（14）至沉积隧洞（11）底部；
b. 在每个所述钻孔（14）中安装一个所述微型核磁共振传感器探头（9），并通过探头控制线（8）将多个微型核磁共振传感器探头（9）与探头控制器（7）相互连接，随后封孔并通过光纤（2）建立探头控制器（7）与井下控制中心（4）之间的信号连接；
c. 在其他核废料掩埋隧洞重复a~b步骤，待所有核废料掩埋隧洞都已布置好微型核磁共振传感器探头（9）后，可进行信号探测；
d. 在地面综合管控中心（1）发布控制信号，信号通过光纤（2）经工程竖井（3）传输至所述井下控制中心（4），进一步传输至所述探头控制器（7），通过探头控制线（8）控制多个微型核磁共振传感器探头（9）在所述钻孔（14）内的上下移动并同步实施信号采集；
地面综合管控中心（1）将收集到的每个核磁共振传感器探头（9）所测得的作为回波串的核磁共振信号进行反演、拟合、滤波处理，结合探头控制器（7）记录的深度数据，输出核废料掩埋场不同位置处的束缚水孔隙度、有效孔隙度、孔径分布、自由水含量信息，最终利用上述信息得到核废料掩埋地质体周围水含量的三维动态分布图；当某一位置处的水含量相对变化超过设定的阈值时，说明该位置处的膨润土已被水突破，需立即预警并采取应对措施；
所述微型核磁共振传感器探头（9）包括射频系统（9-1）、信号接收系统（9-2）、功放系统（9-3）；其中射频系统（9-1）用于向周围发出射频脉冲，信号接收系统（9-2）用于接收外接反馈的核磁共振信号，功放系统（9-3）用于将接受到的核磁共振信号放大后输出；
所述探头控制器（7）包括数据存储系统（7-1）和提升系统（7-2）；其中提升系统（7-2）包括电动绞盘和设置在电动绞盘并与微型核磁共振传感器探头（9）连接的探头控制线（8）；
所述核废料罐（12）设置在围岩（5）中的沉积隧洞（11）内，核废料罐（12）与沉积隧洞（11）之间充填有缓冲材料（10），用以设置微型核磁共振传感器探头（9）的钻孔（14）数量为8~12个，在缓冲材料（10）中靠近围岩（5）部分围绕核废料罐（12）圆周方向均匀分布；所述用以设置微型核磁共振传感器探头（9）的钻孔（14）直径为60~70mm；
微型核磁共振传感器探头（9）利用射频系统（9-1）提供静磁场B0并发射射频脉冲产生射频磁场B1，使微型核磁共振传感器探头（9）周围的孔隙水被极化并产生核磁共振信号，所述信号接收系统（9-2）接收核磁共振信号并将其转换为数字信号，所述功放系统（9-3）将信号放大并通过探头控制线（8）传输至探头控制器（7）；所述探头控制器（7）中的数据存储系统（7-1）保存所述微型核磁共振传感器探头（9）所采集的数据，所述提升系统（7-2）通过电动绞盘转动，控制微型核磁共振传感器探头（9）在钻孔（14）中上下移动并记录微型核磁共振传感器探头（9）所处的深度信息；微型核磁共振传感器探头（9）的采集数据以及对应的深度信息通过光纤（2）传输至井下控制中心（4），进一步经工程竖井（3）传输至地面综合管控中心（1）进行数据分析，达到实时监测的目的。
2.根据权利要求1所述的基于核磁传感器的核废料掩埋场水体监测系统，其特征在于：所述微型核磁共振传感器探头（9）为柱状结构，直径40~50mm，总长度100~150mm；微型核磁共振传感器探头（9）的外壳由能耐200℃高温的高强度无磁钢制成。
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