最終處置場黏土障壁材料之傳輸行為研究

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鄒蕙如(HUEI-RU TZOU) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

最終處置場黏土障壁材料之傳輸行為研究

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摘要(中)

為確保高放射性廢棄物與人類環境的隔離，採用多重障壁的深地層處置系統是公認最可行的辦法，其主要障壁單元包括廢棄物包件、緩衝材料、回填材料及母岩。處置系統中廢棄物包件可能與地下水接觸而劣化，致使核種外釋到可接觸的環境，此時對核種遷移的遲滯特性成為候選緩衝材料的首要考量因素。
本研究以移流延散方程式之解析解評估推求傳輸參數方法之正確度，分析結果顯示修正後之近似解切線斜率切線斜率為推求延散係數D及遲滯因子Rd較佳的方法。以國產日興土為研究材料，在實驗室設置管柱試驗，試驗過程試體性質分析結果顯示：(1)管柱試驗進行前，試體之飽和及淋洗前置作業至少14天以上。(2)高水力梯度(285)下所得日興土之水力傳導係數最高僅達3.4×10-8 cm/s，具備低滲透性功能。(3)導電度量測系統可作為未來深層處置場近場環境現地監測及實驗室管柱試驗之時間控管的有效工具。
管柱試驗探討入滲液離子類型、入滲液離子濃度及日興土乾密度效應對試體性質及膨潤土中傳輸行為的影響，結果顯示：(1)鈉離子之延散行為較鈣離子大，而鈣離子容易與膨潤土中其他親和力低之離子發生交換反應，造成鈣離子遲滯現象較為顯著。(2)低濃度條件鈣離子傳輸之遲滯現象較顯著。(3)日興土中含有較多數量的可交換鈣離子，入滲液採用鈉離子則離子交換優勢較低，鈉離子傳輸速度很快，不受濃度效應及乾密度效應影響。

摘要(英)

To assure the isolation of high level radioactive wastes from human environment, the multiple barrier deep geologic disposal is considered as the most suitable approach. The major barrier unit consists of waste package, buffer material, backfill material and host rock. The waste package in the disposal could deteriorate if in contact with underground water. The nuclides might release and endanger the environment. The capability in retardation and adsorption of the nuclides is one of critical elements when choosing buffer materials.
This research is to reckon the accuracy of the parameter in mass transport. The result shows that the slope of an effluent curve is the best method to figure out the dispersion coefficient(D) and the retardation factor(Rd). Zhisin clay was used as test material. A series of column tests were conducted, and the results are (1)before conducting a column test, a 14-day period of saturating and drip washing of the testing material is required; (2)under a high hydraulic gradient (285) the hydraulic conductivity was found to be 3.4×10-8 cm/s, which is judged to be low in permeation; (3)electrical conductivity testing system can be used effectively to monitor the near-field of deep geologic disposal site and to monitor the testing time of column test.
The column test was aimed at understanding the effects of the type of ion in solution, the concentration of the ion, and the dry intensity of Zhisin clay on the testing material in the mass transport process. It was found that: (1)the sodium ion’s dispersion coefficient is higher than calcium ion; and the calcium ion is easy to react with other low-affinity ion of the bentonites, which makes the retardation of the calcium ion more noticeable; (2) if the concentration is lower, the transport of calcium ion would be more noticeable; (3)there are more exchangeable calcium ion in Zhisin clay, thus exhibiting lower exchangeable rate for calcium.

關鍵字(中)

★ 溶質傳輸
★ 緩衝材料
★ 穿越曲線
★ 延散

關鍵字(英)

★ buffer material
★ breakthrough curve
★ solute transport
★ dispersion

論文目次

目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 X
符號說明 XII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究內容 3
第二章文獻回顧 5
2.1 放射性廢棄物最終處置 5
2.1.1 低放射性處置 5
2.1.2 高放射性處置 7
2.2 溶質傳輸理論 11
2.2.1 水力傳輸 11
2.2.2 化學傳輸 16
2.2.3 聯合溶質傳輸 17
2.2.4 試驗方法 19
2.3 移流-延散方程式解析解 21
2.3.1 濃度的形式 21
2.3.2 邊界條件及解析解 22
2.4 傳輸參數之推求 26
2.4.1 利用近似解切線斜率切線斜率推求Pe與Rd 26
2.4.2 利用穿越曲線推求Rd 27
2.4.3 利用解析解求解Pe與Rd 29
第三章研究計畫 30
3.1 試驗材料 30
3.1.1 日興土 30
3.1.2 材料性質說明 30
3.2 材料性質分析方法 31
3.2.1 基本物理性質試驗 31
3.2.2 化學成份分析 32
3.2.3 X光繞射分析 32
3.3 管柱試驗 33
3.3.1 試驗設計 33
3.3.2 試驗設備 37
3.3.3 試驗方法 40
3.4 管柱試驗條件 43
第四章傳輸參數求取及分析 44
4.1 傳輸參數分析 44
4.1.1 時間效應 46
4.1.2 延散效應 47
4.1.3 遲滯效應 56
4.2 推求傳輸參數方法之探討 58
4.2.1 推估Rd值 58
4.2.2 推估D值 63
4.3 小結 67
第五章試驗結果與分析 69
5.1 日興土原礦性質分析 69
5.1.1 物理性質分析 69
5.1.2 化學組成分析 71
5.1.3 X光繞射分析 71
5.2 管柱試體性質探討 73
5.2.1 試體飽和度 73
5.2.2 背景濃度 73
5.2.3 水力傳導係數 77
5.3 管柱試驗 81
5.3.1 pH值 81
5.3.2 相對濃度 84
5.3.3 相對導電度 96
5.4 小結 101
第六章結論與建議 103
6.1 結論 103
6.2 建議 104
參考文獻 106
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 低放射性廢棄物最終處置概念（李境和，1999） 6
圖2.2 台灣高放射性廢棄物最終處置參考處置概念示意圖 9
圖2.3 多孔隙介質中有效傳輸路徑示意圖 14
圖2.4 機械延散發生機制示意圖(Bedient et al., 1999) 15
圖2.5 管柱試驗之典型穿越曲線 20
圖2.6 管柱試驗濃度示意圖 24
圖2.7 相對濃度與Pe值之變化圖(TR = Rd) 27
圖2.8 低Pe值條件下近似解切線斜率及貫穿曲線上面積推求Rd值差異 29
圖3.1 管柱試驗系統示意圖 37
圖3.2 氣液轉換柱設備示意圖 38
圖3.3 滲出液收集設備 39
圖3.4 標準液的檢量線 40
圖3.5 管柱試體浸泡裝置 41
圖4.1 不同時間因子之濃度剖面 47
圖4.2 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=0.25；Rd = 1) 50
圖4.3 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=0.5；Rd = 1) 50
圖4.4 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=0.75；Rd = 1) 51
圖4.5 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=1；Rd = 1) 51
圖4.6 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=1；Rd =2) 52
圖4.7 Pe值對濃度剖面圖之影響(TR=2；Rd = 2) 53
圖4.8 Pe值對穿越曲線之影響(Rd = 1) 55
圖4.9 Pe值對穿越曲線之影響(Rd = 2) 55
圖4.10 不同遲滯因子Rd之濃度剖面圖 56
圖4.11 不同遲滯因子Rd之穿越曲線圖 57
圖4.12 推求Rd值之結果(Pe=1) 60
圖4.13 推求Rd值之結果(Pe=5) 60
圖4.14 推求Rd值之結果(Pe=10) 61
圖4.15 推求Rd值之結果(Pe=20) 61
圖4.16 推求D值之結果(Pe=1) 64
圖4.17 推求D值之結果(Pe=5) 64
圖4.18 推求D值之結果(Pe=10) 65
圖4.19 推求D值之結果(Pe=20) 65
圖5.1 日興土之粒徑分佈曲線圖 70
圖5.2 日興土原礦X光繞射圖譜 72
圖5.3 滲出液Na+濃度與淋洗齡期的關係 76
圖5.4 滲出液Ca2+濃度與淋洗齡期的關係 76
圖5.5 入滲液離子型態對水力傳導係數之影響 79
圖5.6 入滲液離子濃度對水力傳導係數之影響 79
圖5.7 乾密度對水力傳導係數之影響 80
圖5.8 入滲液離子型態對pH之影響 82
圖5.9 Na+離子濃度對pH之影響 83
圖5.10 Ca2+離子濃度對pH之影響 83
圖5.11 Na-1M-1.5之鈉離子穿越曲線 90
圖5.12 K-1M-1.5之鉀離子穿越曲線 91
圖5.13 Ca-1M-1.5之鈣離子穿越曲線 91
圖5.14 Mg-1M-1.5之鎂離子穿越曲線 92
圖5.15 不同入滲液離子對穿越曲線之影響(γd=1.5 Mg/m3) 92
圖5.16 不同入滲液離子對穿越曲線之影響(γd=1.7 Mg/m3) 93
圖5.17 不同CaCl2濃度之穿越曲線(γd=1.5 Mg/m3) 93
圖5.18 不同NaCl濃度之穿越曲線(γd=1.5 Mg/m3) 94
圖5.19 不同NaCl濃度之穿越曲線(γd=1.7 Mg/m3) 94
圖5.20 不同乾密度之穿越曲線(1M CaCl2) 95
圖5.21 不同乾密度之穿越曲線(1M NaCl) 95
圖5.22 不同乾密度之穿越曲線(0.1M NaCl) 96
圖5.23 Na-1M-1.5相對濃度與相對導電度之關係 99
圖5.24 K-1M-1.5相對濃度與相對導電度之關係 99
圖5.25 Ca-1M-1.5相對濃度與相對導電度之關係 100
圖5.26 Mg-1M-1.5相對濃度與相對導電度之關係 100
表目錄
表2.1 主要核能國家的高放射性廢棄物處置概念 10
表3.1 相關管柱試驗研究之參數及結果 35
表3.2 膨潤土之擴散係數 36
表3.3 管柱試驗條件表 43
表4.1 解析解程式輸出結果 46
表4.2 推估Rd之誤差百分比 62
表4.3 推估D之誤差百分比 66
表5.1 日興土之物理性質 70
表5.2 日興土之化學組成 71
表5.3 平均水力傳導係數及平均孔隙流速 80
表5.4 推求傳輸參數之結果 85

參考文獻

參考文獻
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指導教授

黃偉慶(Wei-Hsing Huang)

審核日期

2005-7-20

推文