專利名稱:模擬高放廢物地質處置室特性的系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于核廢物處置技術領域：
，尤其涉及高放廢物深地質處置室熱-水-力-化學耦合特性的模擬裝置。
背景技術：
核エ業發展產生了大量的核廢物，尤其是高放核廢物，如何進行安全處置已成為日益緊迫要解決的環境問題。目前，國際上對于高放核廢物處置一般傾向于采用深地質埋藏法。我國也明確表示對高放廢物處置庫采用這種方式，通過天然和人工屏障體系阻止核素的泄漏與遷移，達到高放核廢物安全處置的目的。核廢處置庫地質選址后，采用有效的エ程屏障來確保其長期的安全性和穩定性。國內外研究表明，膨潤土是工程屏障理想的緩沖/回填材料，但必須通過對選定膨潤土的材料特性、滲透性能、傳導特征等的大量研究和進行多場耦合作用長期實驗研究，來為設計和構建核廢處置庫提供依據。由于熱-水-力-化學多場耦合現象極其復雜，實驗難度大，是當今工程評價研究中的主要方向。
目前，我國已選定內蒙古興和縣高廟子礦床為緩沖/回填材料供應基地，對高廟子膨潤土(淺表鈣基膨潤土和深部鈉基膨潤土)尚處在基本物理化學性質研究階段，急待進ー步開展緩沖/回填材料膨潤土的熱-水-力-化學耦合條件下長期性能的實驗研究，目前還沒有能夠進行此種實驗的系統。
發明內容
本發明的目的是提供能夠模擬高放廢物深地質處置室熱-水-力-化學耦合特性的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統。并利用此系統進行高放廢物深地質處置庫首選緩沖/回填材料-高廟子鈉基膨潤土多場耦合作用的研究，探索模擬處置庫條件下壓實膨潤土的行為特征和多種影響因素的作用機理。從而，建立熱-水-力-化學耦合條件下膨潤土膨脹及其長期性能研究的有效分析方法體系，掲示多場耦合條件下膨潤土行為特征的變化規律，通過理論、數值分析和模擬技術建立多場耦合條件下多重屏障體系的數值模型；高廟子鈉基膨潤土長期特性評估和預測模型。直接為高放廢物深地質處置緩沖/回填材料的選取，工程屏障系統設計及安全性能評估提供可靠的依據。
本發明是這樣實現的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，包括供水和供氣控制裝置、溫度控制裝置、多場耦合實驗裝置、測量系統、數據采集系統和數據處理系統；
其中，所述模擬高放廢物地質處置室特性的系統以多場耦合實驗裝置為核心，多場耦合實驗裝置整體為圓柱形多層結構，其最外層為具有帶密封蓋的桶狀不銹鋼腔體，最 內層為一圓柱體形、用于模擬高放廢物的加熱器，加熱器外圍是壓實緩沖材料，壓實緩沖材料與不銹鋼腔體之間的空隙采用填充材料填充；
溫度控制裝置包括加熱器和加熱器控制系統，加熱器不固定的放置于壓實緩沖材料中，上下兩端安裝有用于監測加熱器位移的位移測量裝置；[0008]供水和供氣控制裝置包括供水供氣管路、高壓氣瓶及控制裝置、高壓水瓶及控制裝置；高壓氣瓶的出氣管連接至高壓水瓶，作為高壓水瓶的壓カ來源，供水供氣管路連接高壓水瓶和多場耦合實驗裝置，供水供氣管路中包含的多根供水供氣管從高壓水瓶伸出，在所述的不銹鋼腔體的圓周方向均勻安裝，垂直放置于膨潤土塊體與不銹鋼腔體之間的填充材料中，在填充材料內供水供氣管管壁上均勻的開有多個小孔，用于氣體或者水的滲出；
測量系統包括溫度測量裝置、壓カ測量裝置、位移測量裝置、濕度測量裝置、氣體測量和收集系統；
溫度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料中的溫度傳感器；
壓カ測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料中的土應カ傳感器和設置于填充材料內供水供氣管管壁小孔附近的孔隙水壓カ傳感器；
濕度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料中的濕度傳感器；
上述測量裝置安裝于壓實緩沖材料中，對不銹鋼腔體中的狀況進行整體的監測；
氣體測量和收集系統安裝于不銹鋼蓋頂部專設的排氣孔處，負責收集和測量多場耦合實驗裝置中溢出的氣體；
數據采集系統安裝于各個測量裝置之后，用于將測量數據傳送至數據處理系統；
數據處理系統用于記錄和處理數據采集系統采集到的數據，包括數值模型及評估和預測模型。
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，所述的加熱器包括圓柱形的加熱器不銹鋼殼體、充滿殼體空腔的導熱油或者石英砂、浸沒于導熱油或者石英砂中的溫度傳感器和加熱棒、不銹鋼殼體上部的走線通道和出線ロ。
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，所述的壓實緩沖材料是膨潤土塊體，或者是石英砂、膨潤土以及少量添加劑組成的混合材料壓制而成的塊體。
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，所述的填充材料是石英砂、膨潤土或者兩者的混合材料，其中也可以包含少量添加劑；
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，在多場耦合實驗裝置最外層的桶狀不銹鋼腔體外側安裝有多個張カ計或者應變片，用于監測桶體的形變。
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，在壓實緩沖材料中還放置有多個金屬腐蝕塊，用于觀察金屬材料在實驗條件下的腐蝕情況。
如上所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其中，在壓實緩沖材料中設置有多個取樣點，用于在運行一段時間之后，對壓實緩沖材料進行采樣，研究其在實驗條件下的變化情況。
本發明的優點是提供了多場耦合條件下膨潤土熱-水-力-化學耦合實驗裝置，具有強度高、變形小、耐腐蝕、密封性能好、測量精度高等技術特點，適于模擬處置庫條件下進行膨潤土 Mock-up長期實驗。能夠通過實時監測緩沖/回填材料的溫度、濕度、力學等變化過程，掲示了熱-水-力-化學耦合作用條件下緩沖/回填材料行為特征的變化規律。同時，本發明所述系統能夠提供基于多場耦合及模擬處置庫條件下大量的實驗測定數據，迸行理論、數值和模擬、反演技術分析建立多場耦合條件下多重屏障體系的數值模型和高廟子鈉基膨潤土長期特性評估和預測模型，為高放廢物深地質處置庫的建立奠定基礎。
圖I是模擬高放廢物地質處置室特性的系統總體結構示意圖；
圖2是模擬高放廢物地質處置室特性的系統側視橫截面圖；
圖3是圖2中的A-A截面剖視圖；
圖4是圖2中的B-B截面剖視圖；
圖5是圖2中的C-C截面剖視圖；
圖6是加熱器的剖視圖。
其中，I.供水和供氣控制裝置，2.壓實緩沖材料，3.加熱器，4.不銹鋼腔體，5.螺桿緊固件，6.填充材料，7.位移測量裝置，8.溫度控制裝置，9.氣體測量和收集系統，10.數據采集系統，11.填充材料內供水供氣管，12.安裝區，13.加熱器不銹鋼殼體，14.加熱棒，15.導熱油或者石英砂，16.溫度傳感器，17.走線通道，18.出線ロ，19.數據處理系統。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進ー步的說明
如圖I至圖5所示的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，能夠模擬高放廢物地質處置室熱-水-力-化學耦合特性，包括供水和供氣控制裝置I、溫度控制裝置8、多場耦合實驗裝置、測量系統、數據采集系統10和數據處理系統19 ；
其中，所述模擬高放廢物地質處置室特性的系統以多場耦合實驗裝置為核心，多場耦合實驗裝置整體為圓柱形多層結構，其最外層為具有帶密封蓋的桶狀不銹鋼腔體4，最內層為一圓柱體形、用于模擬高放廢物的加熱器3，加熱器3外圍是壓實緩沖材料2，壓實緩沖材料2與不銹鋼腔體之間的空隙采用填充材料6填充；
所述的壓實緩沖材料2可以是膨潤土塊體，或者是石英砂、膨潤土以及少量添加劑組成的混合材料壓制而成的塊體；
所述的填充材料6可以是石英砂、膨潤土或者兩者的混合材料，其中也可以包含少量添加劑；
溫度控制裝置8包括加熱器3和加熱器控制系統，加熱器3不固定的放置于壓實緩沖材料2中，上下兩端安裝有用于監測加熱器位移的位移測量裝置7 ；
供水和供氣控制裝置I包括供水供氣管路、高壓氣瓶及控制裝置、高壓水瓶及控制裝置；高壓氣瓶的出氣管連接至高壓水瓶，作為高壓水瓶的壓カ來源，供水供氣管路連接高壓水瓶和多場耦合實驗裝置，供水供氣管路中包含的多根供水供氣管從高壓水瓶伸出，在所述的不銹鋼腔體4的圓周方向均勻安裝，豎直放置于膨潤土塊體與不銹鋼腔體之間的填充材料6中，在填充材料內供水供氣管11管壁上均勻的開有多個小孔，用于氣體或者水的滲出；
測量系統包括溫度測量裝置、壓カ測量裝置、位移測量裝置7、濕度測量裝置、氣體測量和收集系統9 ；
溫度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的溫度傳感器；
壓カ測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的土應カ傳感器和設置于填充材料內供水供氣管11管壁小孔附近的孔隙水壓カ傳感器；
濕度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的濕度傳感器；[0042]上述測量裝置安裝于壓實緩沖材料2中，對不銹鋼腔體4中的狀況進行整體的監測；
氣體測量和收集系統9安裝于不銹鋼蓋頂部專設的排氣孔處，負責收集和測量多場耦合實驗裝置中溢出的氣體；
數據采集系統10安裝于溫度測量裝置、壓カ測量裝置、位移測量裝置7、濕度測量裝置、氣體測量和收集系統9之后，用于接收測量數據并將測量數據傳送至數據處理系統19 ；
數據處理系統19包括數值模型及評估和預測模型；數據處理系統19用于記錄和處理數據采集系統采集到的數據。
在多場耦合實驗裝置最外層的桶狀不銹鋼腔體4外側安裝有多個張カ計或者應變片，用于監測不銹鋼腔體4的形變。
在壓實緩沖材料2中還放置有多個金屬腐蝕塊，用于觀察金屬材料在實驗條件下的腐蝕情況。
在壓實緩沖材料2中設置有多個取樣點，用于在運行一段時間之后，對壓實緩沖材料進行采樣，研究其在實驗條件下的變化情況。
如圖6所示，加熱器3包括圓柱形的加熱器不銹鋼殼體13、充滿殼體空腔的導熱油或者石英砂15、浸沒于導熱油或者石英砂15中的溫度傳感器16和加熱棒14、不銹鋼殼體13上部的走線通道17和出線ロ 18。
在具體實驗過程中，使用上述系統的步驟是
I.數值模型模擬計算；
首先使用建模系統Flac (2D/3D)、codebright、anasys或其他公知的平臺來建立實驗系統的數值模型，以此作為實驗系統建立的依據，調試控制實驗裝置內的溫度、濕度和壓カ等參數，模擬處置庫工程屏障系統進行Mock-up長期實驗(THM、THC、THG、THB、THMC,THMCB等不同耦合條件下的長時間實驗)。
2 使用實驗裝置進行實驗；
以步驟I中得到的數據為依據建立實驗環境，包括
2. I采用和所需模擬的地質環境一致的特定材料制作壓實緩沖材料2和填充材料6 ；
2.2固定多場耦合實驗裝置最外層的桶狀不銹鋼腔體4，在其外壁安裝多個張カ計或者應變片，然后其中放入加熱器3、壓實緩沖材料2、填充材料6以及填充材料內供水供氣管11 ;
并同時安裝測量系統，包括
多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的溫度傳感器；
多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的土應カ傳感器和設置于填充材料內供水供氣管11管壁小孔附近的孔隙水壓カ傳感器；
多個均勻設置于壓實緩沖材料2中的濕度傳感器；
在壓實緩沖材料2中還放置多個金屬腐蝕塊，用于觀察金屬材料在實驗條件下的腐蝕情況；
在壓實緩沖材料2中設置有多個取樣點，用于在運行一段時間之后，對壓實緩沖材料進行采樣，研究其在實驗條件下的變化情況；
2. 3安裝桶狀不銹鋼腔體4的密封蓋，使多場耦合實驗裝置形成密封，然后在其外部安裝供水和供氣控制裝置I、溫度控制裝置8、數據采集系統10和數據處理系統19 ；
2. 4通過供水供氣管路向多場耦合實驗裝置中通入高壓氣體和水來模擬壓力和濕度，由于高壓氣瓶和高壓水瓶的閥門采用單獨控制的方式，所以，可以選擇性的加入氣體或者水；
在加入氣體和水的過程中，同時通過測量系統來監測，在達到預定的濕度、壓カ之后即停止加水和加氣的過程；
2. 5調整加熱器3至設定的溫度；
2. 6保持上述步驟中得到的實驗環境，然后讓模擬高放廢物地質處置室特性的系統持續運行；
3.采集實驗過程中的實際數據，并進行模型的調整，預測；
實時監測實驗過程中測量數據的變化，不斷修正數值模型，并且利用調整后模型對之后的實驗過程進行預測；
4.反復進行步驟3，直到得到比較準確的模型。
此實驗過程可以持續數年，以得到精確的地質環境的數學模型。
并且在實驗過程中和實驗后，按設計好的實驗裝置拆除和取樣方案，分析緩沖/回填材料耦合作用過程中和實驗后各種性能的變化規律，構建緩沖/回填材料的長期性能評估和預測模型。這樣，便實現了本發明的目的建立熱-水-力-化學耦合條件下膨潤土膨脹及其長期性能研究的有效分析方法體系，掲示多場耦合條件下膨潤土行為特征的變化規律，通過理論、數值分析和模擬技術建立多場耦合條件下多重屏障體系的數值模型。
權利要求
1.一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，包括供水和供氣控制裝置(I)、溫度控制裝置(8)、多場耦合實驗裝置、測量系統、數據采集系統(10)和數據處理系統(19)； 其特征在于所述模擬高放廢物地質處置室特性的系統以多場耦合實驗裝置為核心，多場耦合實驗裝置整體為圓柱形多層結構，其最外層為帶具有密封蓋的桶狀不銹鋼腔體(4)，最內層為ー圓柱體形、用于模擬高放廢物的加熱器(3)，加熱器(3)外圍是壓實緩沖材料(2)，壓實緩沖材料(2)與不銹鋼腔體之間的空隙采用填充材料(6)填充； 溫度控制裝置(8)包括加熱器(3)和加熱器控制系統，加熱器(3)不固定的 放置于壓實緩沖材料(2)中，上下兩端安裝有用于監測加熱器位移的位移測量裝置(7)； 供水和供氣控制裝置(I)包括供水供氣管路、高壓氣瓶及控制裝置、高壓水瓶及控制裝置；高壓氣瓶的出氣管連接至高壓水瓶，作為高壓水瓶的壓カ來源，供水供氣管路連接高壓水瓶和多場耦合實驗裝置，供水供氣管路中包含的多根供水供氣管從高壓水瓶伸出，在所述的不銹鋼腔體(4)的圓周方向均勻安裝，豎直放置于膨潤土塊體與不銹鋼腔體之間的填充材料出)中，在填充材料內供水供氣管(11)管壁上均勻的開有多個小孔，用于氣體或者水的滲出； 測量系統包括溫度測量裝置、壓カ測量裝置、位移測量裝置(7)、濕度測量裝置、氣體測量和收集系統(9)； 溫度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料(2)中的溫度傳感器； 壓カ測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料(2)中的土應カ傳感器和設置于填充材料內供水供氣管(11)管壁小孔附近的孔隙水壓カ傳感器； 濕度測量裝置包括多個均勻設置于壓實緩沖材料(2)中的濕度傳感器； 上述測量裝置安裝于壓實緩沖材料(2)中，對不銹鋼腔體(4)中的狀況進行整體的監測； 氣體測量和收集系統(9)安裝于不銹鋼蓋頂部專設的排氣孔處，負責收集和測量多場耦合實驗裝置中溢出的氣體； 數據采集系統(10)安裝于溫度測量裝置、壓カ測量裝置、位移測量裝置(7)、濕度測量裝置、氣體測量和收集系統(9)之后，用于接收測量數據并將測量數據傳送至數據處理系統(19)； 數據處理系統(19)包括數值模型及評估和預測模型；數據處理系統(19)用于記錄和處理數據采集系統采集到的數據。
2.如權利要求
I所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于所述的加熱器(3)包括圓柱形的加熱器不銹鋼殼體(13)、充滿殼體空腔的導熱油或石英砂(15)、浸沒于導熱油或石英砂(15)中的溫度傳感器(16)和加熱棒(14)、不銹鋼殼體(13)上部的走線通道(17)和出線ロ(18)。
3.如權利要求
I所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于所述的壓實緩沖材料(2)是膨潤土塊體，或者是石英砂、膨潤土以及少量添加劑組成的混合材料壓制而成的塊體。
4.如權利要求
I所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于所述的填充材料(6)是石英砂、膨潤土或者兩者的混合材料。
5.如權利要求
I所述的ー種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于所述的填充材料(6)是石英砂、膨潤土或者兩者的混合材料，其中包含少量添加劑。
6.如權利要求
I所述的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于在多場耦合實驗裝置最外層的桶狀不銹鋼腔體(4)外側安裝有多個張力計或者應變片，用于監測桶體的形變。
7.如權利要求
I所述的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于在壓實緩沖材料(2)中還放置有多個金屬腐蝕塊，用于觀察金屬材料在實驗條件下的腐蝕情況。
8.如權利要求
I所述的一種模擬高放廢物地質處置室特性的系統，其特征在于在壓實緩沖材料(2)中設置有多個取樣點，用于在運行一段時間之后，對壓實緩沖材料進行采樣，研究其在實驗條件下的變化情況。
專利摘要
本發明屬于核廢物處置技術領域：
，具體是模擬高放廢物地質處置室特性的系統。目的是提供能夠模擬高放廢物深地質處置室熱-水-力-化學耦合特性的系統。所述系統包括供水和供氣控制裝置(1)、溫度控制裝置(8)、多場耦合實驗裝置、測量系統、數據采集系統(10)和數據處理系統(19)；所述系統以多場耦合實驗裝置為核心，其最外層為帶具有密封蓋的桶狀不銹鋼腔體(4)，最內層為一圓柱體形、用于模擬高放廢物的加熱器(3)。本發明的優點是提供了多場耦合條件下膨潤土熱-水-力-化學耦合實驗裝置，具有強度高、變形小、耐腐蝕、密封性能好、測量精度高等技術特點，適于模擬處置庫條件下進行膨潤土Mock-up長期實驗。
文檔編號G21F9/34GKCN101887763SQ200910136748
公開日2012年8月8日 申請日期2009年5月14日
發明者劉月妙, 王駒 申請人:核工業北京地質研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1), 非專利引用 (4),