膨润土是自然界分布非常广泛的一种粘土岩,是一种非常重要的非金属矿产,以其优良的吸附性能和极低的渗透性能被选作核废物深地质处置库中的缓冲/回填材料。作为膨润土的主要矿物成分,蒙脱石的特性决定了膨润土的基本性质,其含量越高,膨润土的质量也越好。因此探讨深地质处置库中蒙脱石结构与性能的关系,水分子和核素离子在蒙脱石层间的迁移扩散行为以及与粘土相互作用的机制就显得尤为必要。由于深地质处置库以及核废弃物的特殊性,常规的实验方法在研究膨润土作为缓冲回填材料的应用方面受到很大限制,而随着计算机技术的飞速发展、算法和力场理论的逐渐完善,分子模拟方法作为一种兼具理论研究和实验测定的手段,在研究体系的微观领域方面体现出了巨大优势,因此这一技术在对蒙脱石的研究中得到了广泛的应用。本文首先运用分子力学(Molecular Mechanics, MM)的模拟方法探讨了Na-, Cs-蒙脱石层间距、密度、体积等参数随层间水含量的变化,模拟结果表明随着层间水含量的增加,Na-, Cs-蒙脱石体现出了不同的遇水膨胀性质,Cs-蒙脱石的层间距、体积和密度大于Na-蒙脱石的。其次以分子力学获得稳定构型为基础,运用分子动力学(Molecular Dynamics, MD)的方法研究了在300k-600k范围内,不同水合程度的Na-, Cs-蒙脱石层间结构的变化和层间物质的扩散迁移行为。Na+和Cs+的浓度图谱表明Na+和Cs+在不同温度和水合程度下呈现出了不同的分布特征,并且无水时层间Na+和Cs+的分布受到温度的影响要比水合时要小。层间水中氧原子的浓度图谱表明Na-蒙脱石中氧原子在一层水合时比Cs-蒙脱石分布更为集中,两层、三层水合时相似,三层水合时都没有形成第三个水分子层,并且随着温度的升高,氧原子逐渐变得分散。结合层间水中O-O和H-O径向分布函数(Radial Distribution Function, RDF)分析,发现层间水的结构与液相水不同,在不同温度和水合程度下,层间水的聚合、有序程度都要高于液相水。层间阳离子与粘土四面体片层氧的RDF表明随着温度的升高和水合程度的增加,Na+和Cs+与粘土片层的作用也随之减弱,但是Cs+与粘土片层的相互作用却要强于Na+,结构更紧凑,而且水合程度越高,离子与粘土片层的相互作用受到温度的影响越小。层间阳离子与水分子的RDF表明当水分子进入层间时,离子会发生水合,水分子围绕Na+和Cs+在一层、两层和三层水合时分别形成一层、两层水合壳。并且随着温度的升高,离子的溶剂化作用在减弱。层间物质的自扩散系数表明,层间水分子和阳离子在层间的扩散比液体相中慢；随着温度的升高和水合程度的增加,虽然Na+和Cs+与层间水分子的扩散系数在增加,但是水分子的扩散系数要大于层间阳离子的扩散系数,并且Cs+的扩散系数要大于Na+扩散系数。