深地層處置緩衝材料受沖蝕及沉積作用下質量損失之研究

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蔡瑋軒(Wei-Xuan Cai) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

深地層處置緩衝材料受沖蝕及沉積作用下質量損失之研究

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★ 深層地質處置場緩衝材料之沖蝕機制與沖蝕量試驗研究

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摘要(中)

本研究使用美國懷俄明州膨潤土(MX-80)及日本山形縣膨潤土(K-V1)來進行沖蝕及沉積實驗，透過每日圖像記錄與濁度量測來瞭解MX-80及K-V1膨潤土，於不同實驗因子下的質量損失及徑向擴張量的變化。沉積實驗為透過調整不同角度，來比較不同傾角下質量損失及徑向擴張量的變化；沖蝕實驗則透過水流的流動，加上不同水化學條件及裂隙傾斜角度來觀察膨潤土的質量損失及徑向擴張量的變化。
於水平沖蝕的研究結果表明，當水化學在較高的陽離子強度下，膨潤土的擴散雙層受到抑制，使其趨於絮凝結構而使沖蝕質量損失有顯著的降低；於較小的裂隙內寬下，對於沖蝕所造成的質量損失也有所下降。K-V1膨潤土相較於MX-80膨潤土在副礦物環的發展上較為快速，使K-V1膨潤土在沖蝕發生後因副礦物環形成的濾層，抑制了後續的質量損失。
沉積實驗結果發現隨著裂隙傾斜角度的增大，因重力沉積所造成的質量損失會有所增加，而K-V1膨潤土因其飽和過程中顆粒間的距離相比MX-80膨潤土來的大，使其趨於分散結構，因此在重力作用下的質量損失較為顯著。
傾角45°沖蝕實驗結果，於去離子水環境中，兩種膨潤土都有明顯的質量損失，但在較高的陽離子強度6 mM環境下，即無明顯因重力與水流剪切力交互作用下所產生的質量損失，可見地下水中陽離子強度對膨潤土傾角沖蝕質量損失具有關鍵的影響；而傾角60°沖蝕實驗結果，於陽離子強度1 mM及3 mM環境下，其質量損失與傾角45°相比皆有增加的趨勢。

摘要(英)

This research using Wyoming Bentonite (MX-80) and Yamagata Prefecture Bentonite (K-V1) in erosion and sedimentation experiments to understand changes in mass loss and radial expansion under various experimental factors.This was achieved through daily image recording and turbidity measurements. sedimentation experiments were conducted by adjusting angles to compare mass loss and radial expansion at different angles. Erosion experiments, on the other hand, compared variations in mass loss and radial expansion under different water chemistry conditions and incline angles, as influenced by the flow of water.
Results from the horizontal erosion study indicated that at higher cationic strengths, the diffuse double layer of the bentonite was affected, leading to a flocculation structure that slowed mass loss ; at a smaller crack width, the mass loss caused by erosion is also reduced. Moreover, K-V1 bentonite exhibited a faster development of secondary mineral rings compared to MX-80 bentonite. Consequently, K-V1 erosion was reduced due to the filtering layer formed by the secondary mineral rings, which inhibited subsequent mass loss.
The sedimentation experiment results revealed that with the change in the fracture incline angle, the mass loss caused by gravitational sedimentation increased. The interparticle distance during the saturation process of K-V1 bentonite was larger compared to that of MX-80, leading to a more dispersed structure.
Therefore, the mass loss under gravity was more significant in K-V1 bentonite.Findings from the 45° erosion experiment showed that in a high cationic strength 6mM environment, there was no noticeable mass loss due to the interaction of gravity and water shear forces. This highlights the significant influence of water chemistry on bentonite mass loss ; The results of the erosion test with an inclination angle of 60° show that in the environment of cation strength 1mM and 3mM, compared with the inclination angle of 45°, the mass loss tends to increase.

關鍵字(中)

★ MX-80
★ K-V1
★ 緩衝材料
★ 沖蝕
★ 沉積

關鍵字(英)

★ MX-80
★ K-V1
★ buffer
★ erosion
★ sedimentation

論文目次

摘要 i
Abstract iii
誌謝 v
目錄 vii
圖目錄 xi
表目錄 xvii
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 4
第二章文獻回顧 5
2.1 用過核子燃料最終處置設計概念 5
2.2 緩衝材料所需具備之安全功能 6
2.3 膨潤土礦物基本特性 9
2.3.1 黏土礦物的結晶構造 9
2.3.2 膨潤土水合結構 10
2.3.3 擴散雙層理論 12
2.3.4 分散及絮凝結構 14
2.4 回脹壓力發展機制 15
2.5 膨潤土沖蝕行為 18
2.5.1 裂隙中的膨潤土受力 18
2.5.2 膨潤土溶膠的形成 19
2.6 膨潤土沖蝕報告研析 20
2.6.1 日本原子能研究開發機構 20
2.6.2 Christopher Reid et al. 23
2.7 沉積及傾角沖蝕實驗報告研析 26
2.7.1 瑞典核子燃料及廢棄物管理公司(SKB) 26
2.7.2 芬蘭核子燃料及廢棄物管理公司 (POSIVA) 28
第三章實驗材料與研究方法 35
3.1 實驗材料 39
3.2 粒徑分析試驗 (比重計法) 43
3.3 膨潤土試驗前處理 45
3.3.1 膨潤土分樣處理 45
3.3.2 膨潤土含水量設計與調配 46
3.4 沖蝕與沉降實驗 47
3.4.1 實驗設備 47
3.4.2 試體壓製流程 57
3.4.3 沖蝕實驗流程 58
3.4.4 沉積實驗流程 59
3.4.5 傾角沖蝕實驗流程 60
3.5 蒙脫石含量測定 62
3.5.1 亞甲基藍吸附試驗結果 63
3.6 純化膨潤土 64
3.7 律定蒙脫石含量與濁度之關係 65
3.7.1 MX-80 膨潤土濁度檢定公式 66
3.7.2 建立K-V1膨潤土濁度檢定公式 67
3.8 擴張歷程圖像分析 71
3.8.1 徑向擴張量測 71
3.8.2 副礦物環面積量測 72
第四章結果與討論 75
4.2 沖蝕實驗質量損失 78
4.2.1 MX-80膨潤土不同裂隙內寬下之質量損失 78
4.2.2 MX-80膨潤土不同陽離子強度下之質量損失 82
4.2.3 K-V1膨潤土不同陽離子強度下之質量損失 85
4.2.4 MX-80及K-V1膨潤土之質量損失比較 87
4.3 沖蝕實驗回脹壓力 89
4.3.1 MX-80及K-V1膨潤土之回脹壓力比較 89
4.3.2 K-V1膨潤土不同陽離子強度下之回脹壓力 90
4.4 沖蝕實驗之徑向擴張量 92
4.4.1 MX-80膨潤土不同裂隙內寬下之徑向擴張量 92
4.4.2 MX-80膨潤土不同陽離子強度下之徑向擴張 94
4.4.3 K-V1膨潤土不同陽離子強度下之徑向擴張 95
4.4.4 MX-80及K-V1膨潤土之徑向擴張比較 96
4.5 副礦物環面積 97
4.6 沉積實驗質量損失 101
4.6.1 K-V1膨潤土不同傾斜角度下之沉積實驗 101
4.6.2 MX-80膨潤土不同傾斜角度下之沉積實驗 107
4.6.3 K-V1及MX-80膨潤土沉積質量損失比較 112
4.7 沉積實驗徑向擴張 114
4.8 傾角沖蝕實驗質量損失 117
4.8.1 MX-80膨潤土不同陽離子強度下之質量損失 118
4.8.2 K-V1膨潤土不同陽離子強度下之質量損失 121
4.8.3 MX-80及K-V1膨潤土不同陽離子強度下之質量損失比較 123
4.8.4 MX-80膨潤土不同陽離子種類下之質量損失 125
4.8.5 MX-80膨潤土不同傾角下之質量損失 129
4.8.6 K-V1膨潤土沉積及傾角沖蝕實驗之質量損失 134
4.9 傾角沖蝕實驗徑向擴張 135
4.9.1 MX-80膨潤土不同陽離子強度下之徑向擴張 135
4.9.2 K-V1膨潤土不同陽離子強度下之徑向擴張 136
4.9.3 MX-80膨潤土不同陽離子種類下之徑向擴張 137
4.9.4 MX-80膨潤土不同傾角下之徑向擴張 138
4.9.5 K-V1膨潤土沉積及傾角沖蝕實驗之徑向擴張 140
4.10 MX-80及K-V1膨潤土沉積跟沖蝕行為比較與討論 141
4.10.1 回脹壓力發展機制 141
4.10.2 沖蝕實驗 146
4.10.3 沉積實驗 149
第五章結論與建議 152
5.1 結論 152
5.2 建議 153
參考文獻 154
附錄A 157
附錄B 165
附錄C 173

參考文獻

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指導教授

黃偉慶楊樹榮(Wei-Hsing Huang)

審核日期

2023-7-26

推文