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一种高放废物地质处置缓冲材料及其处理方法

阅读:2发布:2020-07-16

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1.一种高放废物地质处理方法,其特征在于:其方法如下:
步骤一、施工工艺的制定,施工工艺如下:
准备工作→开挖深部地下处置坑→纤维泥土的拌制→回填第一部分纤维水泥土→设置U型冻结管→回填第二部分纤维水泥土→放置高放废物罐→回填第三部分纤维水泥土→实施液氮冻结→高放废物处置完毕;
步骤二、准备工作:准备工作包括深部地质处置库的选择、材料与机械设备的准备,具体如下:
(1)、场址选择:场址选择的考虑因素包括地形、大地构造和地震强度、地下条件、地质构造、围岩的物理化学性质、水文和水文地质、未来自然事件、普通地质和工程条件以及社会学问题;
(2)、基岩的选择:基岩选择三种主要岩石类型,具体如下:
1)、结晶岩:指花岗岩、辉长岩和玄武岩状坚硬的火成岩变质岩,总孔隙度低及常有节理和断裂;
2)、泥浆岩:泥浆岩要经得起压实作用、成岩作用并常有低度的埋藏变质,性状更接近于结晶岩;
3)、蒸发岩:是可溶性的Na、Mg、K、Ca盐的组合体,是由过去地质年代浅部泻湖及湖泊蒸发在周期性的历史变迁中形成的,氯化物、硫酸盐或酸盐以单质或以不同比例混合的复盐,形成不同厚度的层状沉积物,按层状沉积岩顺序逐次埋在下面;
(3)、材料与机械设备的准备:包括纤维水泥土的准备、冻结管的准备、液氮的准备,以及机械设备的准备;
步骤三、开挖深部地下处置坑:
首先挖一个实验竖井或一个通向库体巷道,以供地下试验室阶段使用,然后把实验竖井转变为实际大小的处置库,最后开掘工作完成,所有的地面施工设施都清除,代替以较小规模的废物接收和放置所需要的设施,处置坑的坑底距离地表500-1000m;
步骤四、纤维水泥土的拌制:回填用缓冲材料使用纤维水泥土,纤维水泥土是在施工现场将土、水泥、水和纤维一起拌制而成,按重量比水泥掺入量为土重量的20%,水灰比为
0.45,按重量比纤维含量为土、水泥和水加起来总重量的1-2%,纤维选择玻璃纤维或竹纤维;
步骤五、回填第一部分纤维水泥土:回填第一部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应认真做好前期准备工作,具体施工如下:
(1)、基底处理:回填前检查处置坑底部,保证处置坑底面无腐土和杂物;
(2)、回填:将拌制好的纤维水泥土倒入已测定的回填区,若环境温度高时应注意纤维水泥土表面的补水,回填时分层施工,按每层30cm层厚分层回填,回填时测量工作同步进行,随时检查控制回填面高程及回填厚度;若回填表面过光时要采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固;
(3)、整平:对回填好的纤维水泥土进行初步整平,使其表面平整,厚度均匀;
(4)、压实:采用碾压设备进行碾压,纤维水泥土整平完成后,首先进行快速碾压封面,以防止纤维水泥土中水分的过早散失和表面的初次找平;然后慢速碾压4-6遍,对于边处无法碾压的地方采用人扶持蛙式打夯机进行夯实,夯实遍数设为6遍,在夯实时对过干的纤维水泥土洒水加以润湿;
(5)、养护:碾压完成后,进行收面,纤维水泥土碾压结束后,及时进行洒水并根据环境气温补水,为保证纤维水泥土后期强度的形成,纤维水泥土成型后禁止上重型机械设备;
步骤六、设置U型冻结管:
U型冻结管布置3-6根,沿着高放废物一周均匀布置,以形成圆环形冻土帷幕,U型冻结管各个管间距在0.8-1.2m,U型冻结管选用φ108×5-6mm的无缝管,U型冻结管中的供液管采用φ32×3.5mm的无缝钢管;各个U型冻结管相交处用钢丝绑扎牢固;采用液氮罐实施冻结;
步骤七、回填第二部分纤维水泥土:
回填第二部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应对之前回填的第一部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
步骤八、放置高放废物罐:放置高放废物罐时要小心轻放,高放废物罐放置在处置坑正中间;
步骤九、回填第三部分纤维水泥土:回填第三部分纤维水泥土的顶面要高于高放废物罐顶面6-8m,回填前应对之前回填的第二部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
步骤十、实施液氮冻结:
冻结系统管路首次充入液氮时,要使液氮以气体形式进入冻结系统管路,维持3-4小时的预冷时间,以避免各道焊缝因急冷造成脆裂渗漏,如果渗漏严重要及时停氮补焊处理,防止施工场地氮气浓度过高;液氮出口压通过液氮罐上蒸发器调节,液氮出口压力保持在
0.3-0.5MPa,液氮冻结需要检查各回路温度,调节使各回路温度相近,保证各个液氮孔冻结发展速度均匀,厚度和强度均匀,液氮正常冻结后每天对测温孔温度进行监测,判断冻结帷幕发展速度,一旦液氮冻结开始后,要避免出现液氮中断及停冻现象产生。

说明书全文

一种高放废物地质处置缓冲材料及其处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地质处置缓冲材料及其处理方法,特别涉及一种高放废物地质处置缓冲材料及其处理方法。

背景技术

[0002] 目前,随着我国核工业的迅速发展,核能作为一种清洁高效的新能源,已经越来越多地被应用于我国各行各业发展的方方面面。然而,使用核能就一定会产生相应的核废料,在未来几年后,我国每年将产生约千吨乏燃料。乏燃料经后处理会产生高放废液,这是我国高放废物的主要来源。如何处理高放废物己经成为现在亟待解决的技术难题。
[0003] 髙放废物是指含有放射性强、发热量高、毒性大、半衰期长的核素的核废料,必须将其可靠地与人类隔离开来。各国学者关于如何处理高放废物提出过多种方案,包括海洋处置、盖处置、太空处置、海岛处置、深部地质处置等等。经过大量的研究及讨论,目前普遍认为深部地质处置是最有效和最可行的方法。
[0004] 深部地质处置一般采用的是多重屏障的方法,最外层是由基岩组成的天然屏障,内层是由缓冲材料组成的工程屏障。缓冲材料填充在高放废物罐和处置坑围岩之间,是确保高放废物处置库安全的重要材料。缓冲材料必须具有以下特点:(1)、渗透性低:可减缓地下渗流;(2)、吸附强:对高放废物中的放射性核素具有很强的吸附能力;(3)热传导系数较大:能够及时传导高放废物的热量;(4)、力学性能好:能支撑废物容器的重量,保证工程屏障的整体性;(5)、可塑性好:易于加工;(6)、收缩性低:可避免工程屏障裂缝破坏;(7)、膨胀力适中:保证处置整体系统的完整性;(8)、长期稳定性好:在水-热-力-辐射的耦合作用下可保持长期稳定。
[0005] 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。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了解决目前在处理髙放废物过程中存在的诸多问题而提供的一种高放废物地质处置缓冲材料及其处理方法。
[0007] 本发明提供的高放废物地质处置缓冲材料包括有土、水泥、水和纤维,其中按重量比水泥掺入量为土重量的20%,水灰比为0.45,按重量比纤维含量为土、水泥和水加起来总重量的1-2%。
[0008] 纤维为玻璃纤维或竹纤维。
[0009] 本发明提供的高放废物地质处理方法,其方法如下:
[0010] 步骤一、施工工艺的制定,施工工艺如下:
[0011] 准备工作→开挖深部地下处置坑→纤维水泥土的拌制→回填第一部分纤维水泥土→设置U型冻结管→回填第二部分纤维水泥土→放置高放废物罐→回填第三部分纤维水泥土→实施液氮冻结→高放废物处置完毕;
[0012] 步骤二、准备工作:准备工作包括深部地质处置库的选择、材料与机械设备的准备,具体如下:
[0013] (1)、场址选择:场址选择的考虑因素包括地形、大地构造和地震强度、地下条件、地质构造、围岩的物理化学性质、水文和水文地质、未来自然事件、普通地质和工程条件以及社会学问题;
[0014] (2)、基岩的选择:基岩选择三种主要岩石类型,具体如下:
[0015] 1)、结晶岩:指花岗岩、辉长岩和玄武岩状坚硬的火成岩变质岩,总孔隙度低及常有节理和断裂;
[0016] 2)、泥浆岩:泥浆岩要经得起压实作用、成岩作用并常有低度的埋藏变质,性状更接近于结晶岩;
[0017] 3)、蒸发岩:是可溶性的Na、Mg、K、Ca盐的组合体,是由过去地质年代浅部泻湖及湖泊蒸发在周期性的历史变迁中形成的,氯化物、硫酸盐或酸盐以单质或以不同比例混合的复盐,形成不同厚度的层状沉积物,按层状沉积岩顺序逐次埋在下面;
[0018] (3)、材料与机械设备的准备:包括纤维水泥土的准备、冻结管的准备、液氮的准备,以及机械设备的准备;
[0019] 步骤三、开挖深部地下处置坑:
[0020] 首先挖一个实验竖井或一个通向库体巷道,以供地下试验室阶段使用,然后把实验竖井转变为实际大小的处置库,最后开掘工作完成,所有的地面施工设施都清除,代替以较小规模的废物接收和放置所需要的设施,处置坑的坑底距离地表500-1000m;
[0021] 步骤四、纤维水泥土的拌制:回填用缓冲材料使用纤维水泥土,纤维水泥土是在施工现场将土、水泥、水和纤维一起拌制而成,按重量比水泥掺入量为土重量的20%,水灰比为0.45,按重量比纤维含量为土、水泥和水加起来总重量的1-2%,纤维选择玻璃纤维或竹纤维;
[0022] 步骤五、回填第一部分纤维水泥土:回填第一部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应认真做好前期准备工作,具体施工如下:
[0023] (1)、基底处理:回填前检查处置坑底部,保证处置坑底面无腐土和杂物;
[0024] (2)、回填:将拌制好的纤维水泥土倒入已测定的回填区,若环境温度高时应注意纤维水泥土表面的补水,回填时分层施工,按每层30cm层厚分层回填,回填时测量工作同步进行,随时检查控制回填面高程及回填厚度;若回填表面过光时要采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固;
[0025] (3)、整平:对回填好的纤维水泥土进行初步整平,使其表面平整,厚度均匀;
[0026] (4)、压实:采用碾压设备进行碾压,纤维水泥土整平完成后,首先进行快速碾压封面,以防止纤维水泥土中水分的过早散失和表面的初次找平;然后慢速碾压4-6遍,对于边处无法碾压的地方采用人扶持蛙式打夯机进行夯实,夯实遍数设为6遍,在夯实时对过干的纤维水泥土洒水加以润湿;
[0027] (5)、养护:碾压完成后,进行收面,纤维水泥土碾压结束后,及时进行洒水并根据环境气温补水,为保证纤维水泥土后期强度的形成,纤维水泥土成型后禁止上重型机械设备;
[0028] 步骤六、设置U型冻结管:
[0029] U型冻结管布置3-6根,沿着高放废物一周均匀布置,以形成圆环形冻土帷幕,U型冻结管各个管间距在0.8-1.2m,U型冻结管选用φ108×5-6mm的无缝管,U型冻结管中的供液管采用φ32×3.5mm的无缝钢管;各个U型冻结管相交处用钢丝绑扎牢固;采用液氮罐实施冻结;
[0030] 步骤七、回填第二部分纤维水泥土:
[0031] 回填第二部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应对之前回填的第一部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
[0032] 步骤八、放置高放废物罐:放置高放废物罐时要小心轻放,高放废物罐放置在处置坑正中间;
[0033] 步骤九、回填第三部分纤维水泥土:回填第三部分纤维水泥土的顶面要高于高放废物罐顶面6-8m,回填前应对之前回填的第二部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
[0034] 步骤十、实施液氮冻结:
[0035] 冻结系统管路首次充入液氮时,要使液氮以气体形式进入冻结系统管路,维持3-4小时的预冷时间,以避免各道焊缝因急冷造成脆裂渗漏,如果渗漏严重要及时停氮补焊处理,防止施工场地氮气浓度过高;液氮出口压力通过液氮罐上蒸发器调节,液氮出口压力保持在0.3-0.5MPa,液氮冻结需要检查各回路温度,调节使各回路温度相近,保证各个液氮孔冻结发展速度均匀,厚度和强度均匀,液氮正常冻结后每天对测温孔温度进行监测,判断冻结帷幕发展速度,一旦液氮冻结开始后,要避免出现液氮中断及停冻现象产生。
[0036] 本发明的有益效果:
[0037] 本发明提出了一种新的缓冲材料及其处理方法。本发明提供的缓冲材料由纤维水泥土组成,缓冲材料是在现场将土、水泥、水、适量纤维一起拌制而成,在缓冲材料中,放置U型冻结管,实施液氮冻结,可阻断地下渗流、及时传导高放废物的热量,且形成的冻土是阻断高放废物辐射的绝佳材料。在纤维水泥土中实施液氮冻结,不会产生冻胀融沉现象,可保证缓冲材料的长期稳定性。U型冻结管可布置3-6根,沿着高放废物一周均匀布置,目的是在实施冻结后产生均匀的圆环形冻土帷幕。本发明的导热性、可塑性和长期稳定性都优于目前采用的膨润土缓冲材料,能够有效保证处置高放废物的安全。

具体实施方式

[0038] 本发明提供的高放废物地质处置缓冲材料包括有土、水泥、水和纤维,其中按重量比水泥掺入量为土重量的20%,水灰比为0.45,按重量比纤维含量为土、水泥和水加起来总重量的1-2%。
[0039] 纤维为玻璃纤维或竹纤维。
[0040] 本发明提供的高放废物地质处理方法,其方法如下:
[0041] 步骤一、施工工艺的制定,施工工艺如下:
[0042] 准备工作→开挖深部地下处置坑→纤维水泥土的拌制→回填第一部分纤维水泥土→设置U型冻结管→回填第二部分纤维水泥土→放置高放废物罐→回填第三部分纤维水泥土→实施液氮冻结→高放废物处置完毕;
[0043] 步骤二、准备工作:准备工作包括深部地质处置库的选择、材料与机械设备的准备,具体如下:
[0044] (1)、场址选择:场址选择的考虑因素包括地形、大地构造和地震强度、地下条件、地质构造、围岩的物理化学性质、水文和水文地质、未来自然事件、普通地质和工程条件以及社会学问题;
[0045] (2)、基岩的选择:基岩选择三种主要岩石类型,具体如下:
[0046] 1)、结晶岩:指花岗岩、辉长岩和玄武岩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;
[0047] 2)、泥浆岩:泥浆岩要经得起压实作用、成岩作用并常有低度的埋藏变质,性状更接近于结晶岩;
[0048] 3)、蒸发岩:是可溶性的Na、Mg、K、Ca盐的组合体,是由过去地质年代浅部泻湖及湖泊蒸发在周期性的历史变迁中形成的,氯化物、硫酸盐或碳酸盐以单质或以不同比例混合的复盐,形成不同厚度的层状沉积物,按层状沉积岩顺序逐次埋在下面;
[0049] (3)、材料与机械设备的准备:包括纤维水泥土的准备、冻结管的准备、液氮的准备,以及机械设备的准备;
[0050] 步骤三、开挖深部地下处置坑:
[0051] 首先挖一个实验竖井或一个通向库体巷道,以供地下试验室阶段使用,然后把实验竖井转变为实际大小的处置库,最后开掘工作完成,所有的地面施工设施都清除,代替以较小规模的废物接收和放置所需要的设施,处置坑的坑底距离地表500-1000m;
[0052] 步骤四、纤维水泥土的拌制:回填用缓冲材料使用纤维水泥土,纤维水泥土是在施工现场将土、水泥、水和纤维一起拌制而成,按重量比水泥掺入量为土重量的20%,水灰比为0.45,按重量比纤维含量为土、水泥和水加起来总重量的1-2%,纤维选择玻璃纤维或竹纤维;
[0053] 步骤五、回填第一部分纤维水泥土:回填第一部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应认真做好前期准备工作,具体施工如下:
[0054] (1)、基底处理:回填前检查处置坑底部,保证处置坑底面无腐土和杂物;
[0055] (2)、回填:将拌制好的纤维水泥土倒入已测定的回填区,若环境温度高时应注意纤维水泥土表面的补水,回填时分层施工,按每层30cm层厚分层回填,回填时测量工作同步进行,随时检查控制回填面高程及回填厚度;若回填表面过光时要采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固;
[0056] (3)、整平:对回填好的纤维水泥土进行初步整平,使其表面平整,厚度均匀;
[0057] (4)、压实:采用碾压设备进行碾压,纤维水泥土整平完成后,首先进行快速碾压封面,以防止纤维水泥土中水分的过早散失和表面的初次找平;然后慢速碾压4-6遍,对于边角处无法碾压的地方采用人扶持蛙式打夯机进行夯实,夯实遍数设为6遍,在夯实时对过干的纤维水泥土洒水加以润湿;
[0058] (5)、养护:碾压完成后,进行收面,纤维水泥土碾压结束后,及时进行洒水并根据环境气温补水,为保证纤维水泥土后期强度的形成,纤维水泥土成型后禁止上重型机械设备;
[0059] 步骤六、设置U型冻结管:
[0060] U型冻结管布置3-6根,沿着高放废物一周均匀布置,以形成圆环形冻土帷幕,U型冻结管各个管间距在0.8-1.2m,U型冻结管选用φ108×5-6mm的无缝钢管,U型冻结管中的供液管采用φ32×3.5mm的无缝钢管;各个U型冻结管相交处用钢丝绑扎牢固;采用液氮罐实施冻结;
[0061] 步骤七、回填第二部分纤维水泥土:
[0062] 回填第二部分纤维水泥土的厚度为2-3m,回填前应对之前回填的第一部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
[0063] 步骤八、放置高放废物罐:放置高放废物罐时要小心轻放,高放废物罐放置在处置坑正中间;
[0064] 步骤九、回填第三部分纤维水泥土:回填第三部分纤维水泥土的顶面要高于高放废物罐顶面6-8m,回填前应对之前回填的第二部分纤维水泥土表面采取人工刨毛处理,保证层间结合牢固,其他步骤同步骤五中回填第一部分纤维水泥土相同;
[0065] 步骤十、实施液氮冻结:
[0066] 冻结系统管路首次充入液氮时,要使液氮以气体形式进入冻结系统管路,维持3-4小时的预冷时间,以避免各道焊缝因急冷造成脆裂渗漏,如果渗漏严重要及时停氮补焊处理,防止施工场地氮气浓度过高;液氮出口压力通过液氮罐上蒸发器调节,液氮出口压力保持在0.3-0.5MPa,液氮冻结需要检查各回路温度,调节阀门使各回路温度相近,保证各个液氮孔冻结发展速度均匀,厚度和强度均匀,液氮正常冻结后每天对测温孔温度进行监测,判断冻结帷幕发展速度,一旦液氮冻结开始后,要避免出现液氮中断及停冻现象产生。
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