高放废物处置库回填材料导热特性研究

王茂丽 易发成 王哲 王建威

摘 要：利用Hot disk热常数分析仪研究了集成回填材料在不同条件下的导热特性。探讨了干密度、含水率、孔隙度、饱和度与导热特性的关系。得到热传导系数随干密度、含水量、饱和度的增大而增大，随孔隙度的增大而减小；通过拟合得到饱和度与热传导系数、具有明显的线性或指数关系。

关键词：高放废物；回填材料；热传导系数；拟合

引言

高压实膨润土作为高放处置库的最后一道人工屏障，要求其具有良好的导热性能和热稳定性能，因此，缓冲/回填材料的热传导性能参数是高放废物深地质系统设计的一项关键指标[1]。刘月妙等[2]得到GMZ01与GMZM回填材料的热传导系数随着含水量、干密度的增大而增大，但是与含水量和压实干密度不具有一致的线性关系；谢敬礼等[3]得到砂一膨润土混合物的热传导系数随样品的压实密度、含水率的增大而显著增大；崔玉军等[4]研究了干密度、含水量、饱和度等对美国MX80膨润土热传导系数的影响，发现孔隙气体体积与热传导系数具有线性关系；J Pacavsky[5]得出温度对热传导系数的影响不明显，而密度和含水量对回填材料的热传导系数影响很明显。

1 试验

1.1 试样制作

将烘干的200目膨润土、凹凸棒石和黄铁矿按一定配比组成集成回填材料，制成Φ62mm×20mm的圆柱体试样。试样干密度1.2-1.8g·cm-3，含水量12-18%，一式两块。

1.2 试验设备

试验采用基于瞬变平面热源法的Hot disk TPS2005S热常数分析仪。测试时，在探头上加载恒定电流，引起温度增加，从而在探头两端产生电压差。通过记录在一段时间内电压的变化，可以较为精确地测得被测样品的热传导系数。

2 试验结果与讨论

2.1 干密度、含水量与导热特性的关系

图1和图2分别为集成回填材料干密度、含水量与热传导系数的关系图，由图知：在相同含水量条件下，热传导系数随干密度的增大而增大；在相同干密度条件下，热传导系数随含水量的增大而增大。当干密度为1.77g·cm-3，含水量为17.69%时，热传导系数值最大达到1.2970 W·m-1·K-1。

2.2 孔隙度与导热特性的关系

图3为集成回填材料热传导系数与孔隙度的关系，由图可以明显看出：在相同含水量条件下，热传导系数随着孔隙度的增大而显著减小。

2.3 饱和度与导热特性的关系

图4为集成回填材料饱和度与热传导系数的关系图。显然，热传导系数随饱和度的增大明显上升。对试验数据用ORIGIN8.5分别进行了线性拟合和指数拟合，拟合效果较佳，得到的表达式如下：

λ=-0.04629+0.01657Sr（R2=0.98707）；

λ=3.43786-3.63282×0.99364Sr（R2=0.98943）。

以上式中：λ为热传导系数（W·m-1·k-1）；Sr为饱和度（%）；R为相关系数。

3 结束语

（1）集成回填材料的饱和度大于51.71%时，热传导系数均高于0.8W·m-1·k-1，满足国际原子能机构（IAEA）对回填材料热传导系数的推荐值；（2）在相同条件下，热传导系数随干密度、含水量、饱和度的增大而增大，随孔隙度的增大而减小；（3）通过拟合得到了热传导系数与饱和度的关系方程。

参考文献

[1]刘月妙，徐国庆，刘淑芬，等.内蒙古高庙子膨润土基本性能研究[M].北京：中国核工业音像出版社，2001：1-20.

[2]刘月妙，蔡美峰，王驹.内蒙古高庙子钠基膨润土导热性能研究[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集（下册）[C].北京：核工业北京地质研究院，2006：742-746.

[3]谢敬礼，刘月妙，周宏伟.砂-膨润土混合物热传导特性研究[A].第三届废物地下处置学术研讨会论文集[C].北京：核工业北京地质研究院，2010：439-444.

[4]崔玉军，陈宝.高放核废物地质处置中工程屏障研究新进展[J].岩石力学与工程学报，2006，25（4）：842-847.

[5]Pacovsky J.Some Results from Geotechnical Research on Bentonite[A].Konvalinka P， Lxemburk Fed. CTU Reports -Experimental Investigation of Bulding Materials and Technologies [C].[S.l.]： [s.n ]，2002：107-116.