【摘 要】
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高放废物(HLW)安全处置是核能可持续发展的关键。在各类高放废物处置方法中最主要的处置方式为地下深埋处置。在高放废物地下深埋处置过程中,放射性核素衰减过程将释放大量的热,致使围岩处于较高温度场中,温度会影响岩石物理力学性能,从而影响处置库密闭性与力学承载能力,降低处置库安全性。因此在高放废物衰减致使围岩能够达到的温度范围内,研究温度对岩石物理力学性质的影响具有实际意义。当前诸多温度对岩石力学性质影
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高放废物(HLW)安全处置是核能可持续发展的关键。在各类高放废物处置方法中最主要的处置方式为地下深埋处置。在高放废物地下深埋处置过程中,放射性核素衰减过程将释放大量的热,致使围岩处于较高温度场中,温度会影响岩石物理力学性能,从而影响处置库密闭性与力学承载能力,降低处置库安全性。因此在高放废物衰减致使围岩能够达到的温度范围内,研究温度对岩石物理力学性质的影响具有实际意义。当前诸多温度对岩石力学性质影响的研究中,关注的温度范围大多超过了高放废物衰减能达到的最大温度,缺少在地下处置库围岩能够达到的实际温度范围内的精细化研究,鉴于此,本文开展中等温度条件下(室温~300℃)北山花岗岩的热力性质试验研究,为相关工程提供一定参考价值。本文主要研究成果如下:(1)开展了不同温度条件下北山花岗岩升温-降温全过程声发射监测。通过分析升温-降温全过程声发射撞击数、能量、b值、上升时间/振幅与平均频率值(RA-AF值)的演化特征,研究北山花岗岩升温-降温全过程热破裂演化规律,结果表明:花岗岩在加温过程中产生的撞击数大于降温过程中产生的撞击数;声发射能量演化表明花岗岩从越高温度降温,其降温过程释放的能量越大;声发射b值分析显示,花岗岩在降温过程中b值会出现降低现象;RA-AF值分析表明随着温度增加,花岗岩在降温过程中以剪破裂形式出现的微裂纹占比增加。综合分析可得花岗岩在加温过程中产生的热破裂数量较多、尺寸和能量较小、破裂形式以张拉破裂为主,而在降温过程中产生的热破裂数量较少、尺寸较大、剪破裂占比增加、能量释放较大,且随着加热温度的增加,花岗岩在降温阶段产生的热破裂数量逐渐增加。(2)开展了温度条件下北山花岗岩单轴压缩试验与巴西劈裂试验,研究其在温度与荷载共同作用下的力学性质与声发射演化特征。结果表明:随着温度的增加,花岗岩的峰值强度出现先增加后减小的现象,在150℃时峰值强度达到最大值。声发射能量分析表明,随着温度的增加,声发射能量释放由节点突增形式转向线性释放形式。温度条件下巴西劈裂试验研究表明,随着温度的增加,北山花岗岩抗拉强度出现先增加后减小的特点。其破裂特征分析研究表明,温度对其劈裂路径产生一定的影响;矿物组分之间裂隙统计表明,温度对矿物间胶结作用具有明显的弱化作用,胶结强度高的石英-石英、长石-长石受影响明显,随着温度增加,裂隙开始更多的发育于这两类矿物组合中。(3)开展了温度条件下北山花岗岩循环加卸载试验,通过分析声发射能量、加载响应比、能量加速释放拟合参数、Felicity比值等,研究花岗岩在循环加卸载过程中的力学性质与声发射演化特征。结果表明:在达到峰值破坏的前一个循环中,花岗岩回滞环面积明显增加,且随着温度增加,花岗岩的破裂从脆性破裂转向延性破裂。声发射能量分析表明,声发射能量释放从低温条件下的突然增加模式向高温条件下的逐级增加模式转变。加载响应比分析研究表明即使在弹性阶段,声发射加载响应比仍然大于1,表明在温度与荷载共同作用下,花岗岩在弹性阶段其内部微裂纹也在稳定发育。能量加速释放研究表明,花岗岩温度条件下循环加卸载试验的能量释放从低温状态下的加速释放模式转变为高温状态下的线性释放模式,表明温度越高,花岗岩内部系统越复杂。Felicity比值研究表明,花岗岩损伤强度的取值区间在0.55~0.75峰值强度。(4)对不同温度处理后的北山花岗岩开展核磁共振试验,结果表明,花岗孔隙结构均呈“双峰特征”,在150℃处理后会出现孔隙闭合现象,大孔段孔隙直径和孔隙体积出现明显降低,表现为“热愈合”现象,这与该温度条件下出现峰值强度升高的现象密切相关。通过FISH语言编程,考虑温度对花岗岩强度和变形参数的影响,针对典型KBS-3V高放废物处置模型开展了处置100年内热力耦合数值模拟,讨论了在处置过程变温条件下弹性模量和强度改变对应力-应变场的影响,发现弹性模量随温度改变将显著改变岩体最大主应力出现的时间及大小。变温条件下岩体力学强度参数的改变对岩体强度分布及强度-应力比,对处置坑稳定性存在影响。
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