核废料处置库近场花岗围岩温度场模拟研究

摘要

核能及核技术的发展带来了不可避免的核废料处置问题。深地质处置中，核废料放射性元素衰变产生的热量传递至外层的工程屏障及近场围岩，形成温度场。近场围岩温度场的改变会使围岩热应力发生相应变化，在较高温度影响下，这些变化可能会导致处置库状态的改变，从而威胁处置库密闭性和安全性，最终影响地下水系统和核素迁移。研究近场围岩温度场的变化情况可以为处置库设计提供重要支撑，对处置库的热、力等物理性状的研究提供重要参考，同时对由微生物活动或地质活动引起的核废料罐泄露等事故的监测和防范也有着重要意义。
　　本文以核废料处置库近场花岗围岩的温度场作为主要研究对象，用数值模拟的方式分析了围岩温度及热应力的分布和变化情况，同时提出采用分布式光纤传感系统实际测量近场围岩温度的设想，并对该设想进行了模拟试验研究，完成的工作及取得的认识主要包括:
　　(1)叙述了核废料处置库多层屏障体系，选择了花岗围岩类型和水平钻孔处置方式进行数值模拟。分析推导了花岗围岩体的温度控制方程及热应力方程;阐述了分布式光纤温度测量系统的原理、功能结构等。
　　(2)利用ANSYS有限元分析软件，建立了包含有三个钻孔的处置库近场围岩的数值模型，完成了近场围岩100年内温度场的数值模拟。模拟结果表明，围岩温度变化并不是关于时间的线性关系，钻孔温度在处置开始的第10年左右达到最高，而围岩体内部各部分温度也在10年～20年内迅速升高，相继达到各自峰值后缓步降低。并对10m、15m、20m等不同钻孔间距的温度场进行了对比分析，发现间距越小，钻孔间温度场的相互影响也就越明显，而15m的钻孔间距相对合理。
　　(4)对温度场的相关耦合场——热应力场做了初步数值模拟。模拟结果表明，在处置开始的100年内，围岩体内部热应力变化的总趋势是从较大值逐渐减小，在100年时间内减小了一个数量级。围岩内部各层热应力的分布并不均衡，内层的热应力较大，外层较小，而中间层最小。
　　(5)近场围岩温度场和应力场的模拟结果表明:处置库近场围岩的温度在前10年内变化较为剧烈，产生的热应力也相对较大，而10年～30年内岩体内部温度依旧处于较高水平。
　　(6)提出了分布式光纤传感系统测量核废料处置库近场围岩温度分布的设想，开展了模拟试验研究，将获得的试验数据与数值模拟结果对比分析，发现数值模拟的数据图像在平滑程度上要好于实测结果，而实测结果的各层温度在数值上要稍高于模拟结果。同时，分析了出现差异的原因，并讨论了核废料处置库近场围岩温度场的研究方法。
　　本文的创新点包括:
　　(1)选取水平钻孔处置方式，利用ANSYS软件，采用点、线、面、体等不同方式和角度对花岗岩类型的核废料处置库近场围岩的温度场及应力场进行数值模拟。
　　(2)提出将分布式光纤传感系统应用到核废料处置库近场围岩温度测量中的设想，进行可行性分析及试验研究。讨论将实验方法和数值模拟方式相结合，可为处置库温度场相关研究提供一个参考。
　　研究成果可为国内核废料处置近场围岩温度场的分析研究提供重要参考，同时可为核废料处置库岩体的工程性状及多场耦合条件下岩体响应规律的研究提供重要依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要内容

第2章 核废料处置库的多层屏障体系

2．1 核废料处置方法

2．2 核废料深地质处置的工程屏障

2．2．1 放射性废料固化体

2．2．2 外包装容器

2．2．3 缓冲材料

2．3 核废料处置库的围岩研究

2．3．1 核废料处置库对围岩的特殊要求

2．3．2 核废料处置库围岩选择

2．4 高放核废料处置库的设计温度

2．5 核废料处置库的概念设计

2．6 中国核废料处置库的研究进展

第3章 处置库围岩热力学及光纤传感的理论分析

3．1 温度场数值模拟的理论推导

3．1．1 处置库近场围岩热传导的基本数学表达式

3．1．2 围岩体热传导的控制方程

3．1．3 初始条件和边界条件

3．2 热应力数值模拟基础

3．2．1 围岩体内部热应力的产生原理

3．2．2 围岩体的热应力方程

3．3 有限元方法的基本理论

3．3．1 有限元方法的一些基本概念及基本原理

3．3．2 温度场的有限元方法

3。3．3 数值模拟分析工具——有限元软件ANSYS

3．4 分布式光纤传感技术理论

3．4．1 光纤传感基础理论

3．4．2 光纤传感与分布式温度测量

3．4．3 自发拉曼散射

3．4．4 分布式光纤温度测量系统

第4章 近场围岩温度场及应力场的数值模拟分析

4．1 处置库近场围岩的数值模型

4．1．1 处置库近场围岩的几何模型

4．1．2 初始条件和边界条件

4．1．3 对象模型的属性和相关参数

4．1．4 对象模型的载荷

4．2 对象模型的温度场数值模拟及分析

4．2．1 数值模拟结果

4．2．2 温度场分析

4．3 钻孔间距对温度场的影响

4．4 对象模型的应力场数值模拟及分析

4．4．1 数值模拟结果及分析

4．4．2 应力场分析的结论

第5章 处置库近场围岩分布式测温的试验研究

5．1 近场围岩温度测量的设想

5．2 分布式温度测量方法的提出

5．2 分布式光纤测温系统在岩土温度测量中的试验研究

5．2．1 试验用光纤温度测量系统简介

5．2．2 试验方法

5．2．3 试验模型

5．2．4 试验结果及分析

5．3 岩土温度试验的有限元数值模拟分析

5．3．1 简化条件

5．3．2 温度数值模拟

5．3．3 数值模拟结果

5．4 试验与数值模拟结果的对比分析及讨论

5．4．1 对比分析的结论

5．4．2 温度场的反分析方法

5．4．3 核废料处置库围岩温度场研究方向的探讨

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果