高放废物处置库缓冲材料组合砌块热-水-力耦合作用过程研究

摘要

缓冲材料是高放废物处置库工程屏障的一部分，一般以不同形式组合的砌块置于核废物罐和围岩之间，用于阻滞放射性核素向外迁移。在高放废物处置库内，膨润土砌块会受到复杂的热—水—力(THM)的耦合作用，要有效评估膨润土砌块的阻滞能力，需要对这种耦合作用进行研究。本文基于多孔介质多场耦合理论，采用有限元数值模拟方法，对膨润土砌块平面单环和双环组合形式的THM耦合作用过程进行了模拟和分析。
　　本文主要的研究内容和完成的工作如下:
　　(1)考虑相变、溶解、温度驱动、流体传输和湿化膨胀等物理现象，对基于混合物理论、连续介质理论和普遍的守恒原理建立的多孔介质THM耦合数学模型进行了整理，其中对描述液体中空气溶解的控制方程进行了重新推导，所得到的控制方程组可用于分析缓冲材料的THM耦合现象。
　　(2)对多物理场有限元软件COMSOL中的PDE数学模块进行二次开发，将所推导的缓冲材料THM耦合控制方程组和耦合参数进行输入和定义，建立了适用于分析缓冲材料THM耦合问题的数值方法。
　　(3)采用我国高庙子(GMZ)膨润上相关的物理、力学、热力学、水力学等参数和本构模型，对我国大型缓冲材料THM耦合室内台架试验(China-Mock-Up)的试验过程进行了为期600天的数值模拟，获得了温度场、渗流场和应力场的变化规律，通过数值模拟结果与测得的温度、相对湿度和膨胀力等试验结果进行对比分析，验证了该数值模拟方法的可行性。
　　(4)基于我国高放废物处置库的概念设计并参考国外资料，提出了适于我国现有制造水平的平面单环3砌块和双环6砌块组合形式的缓冲材料模型;开展了缓冲材料为期10年的THM耦合作用过程的数值模拟，得到了砌块径向和环向接缝存在条件下缓冲材料温度场、渗流场和位移场的分布及演化规律，同时还揭示了砌块径向和环向接缝的封闭愈合规律。
　　本文研究成果不仅有助于了解不同砌块组合形式缓冲材料的THM耦合作用过程，为研究缓冲材料的长期性能提供数值模拟方法，而且对我国高放废物处置库缓冲材料的设计具有指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1引言

1．1研究背景

1．2研究意义

1．3国内外研究现状

1．3．1高放废物安全处置研究

1．3．2热—水—力耦合理论及数值模拟方法

1．3．3高庙子膨润土性质

1．3．4膨润土砌块接缝特性

1．4研究内容与方法

1．5研究技术路线

1．6创新点

2多孔介质热—水—力耦合数学模型

2．1基本理论及假定

2．1．1基本理论

2．1．2基本假定

2．2热—水—力耦合控制方程

2．2．1概念模型

2．2．2动量守恒方程

2．2．3质量守恒方程

2．2．4热量守恒方程

2．3本章小结

3基于COMSOL二次开发的多孔介质热—水—力耦合数值仿真方法

3．1 COMSOL Multiphysics简介

3．1．1多物理场耦合问题概述及COMSOL的解耦和策略

3．1．2数值模型的建立和求解过程

3．1．3 PDE数学模块

3．2基于数学模块的多孔介质THM耦合PDE方程组的输入格式

3．2．1广义型动量守恒PDE方程

3．2．2广义型质量守恒PDE方程

3．2．3广义型热量守恒PDE方程

3．3本章小结

4 China-Mock-Up的数值仿真及方法的可行性验证

4．1．1试验台架构成及功能组成

4．1．2试验材料

4．1．3试验过程

4．2 China-Mock-Up数值模型的建立

4．2．1计算模型及网格划分

4．2．2边界条件及初始条件

4．2．3模型本构关系及耦合参数

4．3数值方法的可行性验证

4．3．1传感器布置

4．3．2温度模拟及与试验结果对比分析

4．3．3相对湿度模拟及与试验结果对比分析

4．3．4膨胀力模拟及与试验结果对比分析

4．4本章小结

5平面单环3砌块组合形式缓冲材料THM耦合演化规律研究

5．1缓冲材料的平面构造及材料组成

5．1．1缓冲材料的平面构造及尺寸

5．1．2缓冲材料的初始参数

5．2数值计算模型的建立

5．2．1计算模型及边界条件

5．2．2耦合参数及初始条件

5．3数值模拟结果分析

5．3．1温度场演化规律及分析

5．3．2渗流场演化规律及分析

5．3．3位移场演化规律及分析

5．3．4砌块间接缝愈合过程及分析

5．4本章小结

6平面双环6砌块组合形式缓冲材料THM耦合演化规律研究

6．1缓冲材料的平面构造及材料组成

6．2数值计算模型的建立

6．3数值模拟结果分析

6．3．1温度场演化规律及分析

6．3．2渗流场演化规律及分析

6．3．3位移场演化规律及分析

6．3．4砌块间接缝的愈合过程及分析

6．4本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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