最終處置場緩衝材料地下水入侵模擬研究

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蘇依豪(Yi-Hao Sun) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

最終處置場緩衝材料地下水入侵模擬研究

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摘要(中)

高放射性廢棄物為國際間重要的環保議題，先進核能國家一致認為以多重障壁概念設計的深地層處置場，是目前解決高放射性廢棄物最可行的方法。而高放射性廢棄物因具有長半衰期核種(鈾、鈽)，因此其深地層處置設施的安全評估長達萬年以上，地下水入侵成為重要的評估項目之一。當處置場坑室受到地下水入侵，其內部緩衝材料的含水量隨之改變。緩衝材料在吸水後產生膨脹，進而壓縮緩衝材料內部孔隙，使得孔隙比產生改變。
本研究主要在於研析緩衝材料水力性質，以建立未來研究THMC耦合效應之基礎。研究內容採用有限元素法，針對處置場受地下水入侵後之含水量分佈，利用有效應力理論及緩衝材料持水曲線，進行數值分析模擬。受限於模擬所需之材料性質及相關模擬參數，難以完全從傳統的實驗室試驗中得到，所以必須對試驗步驟與邊界條件做適當的調整，以進行試驗，來取得所需之參數。首先利用本身所建立之模型，套用國外數據，將所得之結果與國外模擬結果相比較，以判斷所建模型之適用性。目前國內對日興土相關參數尚未完整建立，故再進一步透過參數分析及日興土攝取水試驗推估出日興土材料參數，以供未來設置地下處置場之設計參考。

摘要(英)

Most countries make choice of deep geologic disposal as the best method to achieve the isolation and retardation of nuclide migration by multiple barriers. In an underground disposal site, the radioactive wastes are encapsulated in containers surrounded by a buffer material and the excavation backfilled with a mixture of clay and sand. Bentonites serve as buffer material in an engineered barrier system for isolation of high-level radioactive wastes.
This research investigates the hydraulic behavior of the buffer material, in order to provide a basis for evaluating the thermal-hydro-mechanical (THM) coupling effects in a underground repository. Water uptake tests were conducted on bentonite specimens prepared at different densities to simulate groundwater intrusion to the buffer material. With these tests the degree of saturation (and void ratio) can be plotted as a function of the distance from the water inlet. The finite element program ABAQUS was used to perform numerical simulation of the hydraulic behavior of the buffer material. By comparing the experimental results and the numerical simulation, a model for describing the hydraulic behavior of buffer material was developed. In addition, material parameters suitable for Zhisin clay, a potential buffer material for Taiwan, are recommended based on the analysis.

關鍵字(中)

★ 緩衝材料
★ 有限元素法
★ 持水曲線

關鍵字(英)

★ buffer material
★ finite element method
★ water retention curve

論文目次

目錄
摘要 I
目錄 IV
圖目錄 VI
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的與內容 2
第二章文獻回顧 4
2.1 高放射性廢棄物的處理方式 4
2.2 熱-水力-機械-化學耦合作用 6
2.3 深地層處置場受地下水入侵影響 9
2.4 國內THMC相關研究 10
2.4.1熱學模擬 10
2.4.2水力模擬 11
2.4.3機械模擬 11
2.4.4化學傳輸模擬 12
2.5 模擬方向 13
第三章模擬與試驗方法 14
3.1 基礎理論 14
3.1.1 有效應力理論(the effective stress theory) 14
3.1.2 平衡(equilibrium) 15
3.1.3 組成行為(constitutive behavior) 17
3.1.4質量守恆(mass conservation) 21
3.2 孔隙水流特性 24
3.2.1 滲透係數(permeability) 24
3.2.2 持水曲線(water retention curve) 25
3.2.3 回脹膠體(swelling gel) 27
3.2.4 水份回脹(moisture swelling) 27
3.3 元素網格與邊界條件 28
3.4 分析軟體 29
3.5 輸入參數 30
3.5.1水力性質 30
3.5.2材料性質 32
3.6 攝取水試驗 33
3.6.1攝取水試體製作 34
3.6.2單向度攝取水試驗 34
第四章程式模擬 37
4.1 套用MX-80材料參數模擬 37
4.1.1模擬結果驗證 37
4.1.2歷時曲線 40
4.2 回脹膠體的影響 43
4.2.1膠體粒徑 46
4.2.2膠體含量 48
4.2.3膠體回脹倍數 51
4.3 材料特性影響 53
4.3.1滲透係數 53
4.3.2持水曲線 56
4.3.3初始條件 58
4.3.4滲透係數與飽和度關係 63
4.3.5邊界水壓 65
4.4 小結 67
第五章日興土攝取水試驗 69
5.1 日興土攝取水試驗 69
5.1.1 試驗材料 69
5.1.2 日興土攝取水試驗結果 71
5.2 推估日興土材料參數 80
5.3 案例分析 87
5.3.1模型建立 87
5.3.2 分析結果 90
第六章結論與建議 93
6.1 結論 93
6.2 建議 95
參考文獻 96
圖目錄
圖2.1 瑞典放射性廢棄物處理與處置示意圖 5
圖2.2 瑞典SR-97之緩衝材料THMC作用示意圖(陳文泉，2002) 8
圖3.1 吸附/脫附典型曲線 26
圖3.2 不飽和狀況下的飽和度發展 27
圖3.3 攝取水試驗模型網格 28
圖3.4 MX-80持水曲線 31
圖3.5 攝取水試體壓製模具示意圖 35
圖3.6 攝取水試驗儀器示意圖 36
圖4.1 SKB攝取水試驗結果 39
圖4.2 程式模擬結果 39
圖4.3 飽和度歷時曲線 41
圖4.4 孔隙壓力歷時曲線 41
圖4.5 膠體體積比歷時曲線 42
圖4.6 孔隙比歷時曲線 42
圖4.7 黏土顆粒回脹示意圖 43
圖4.8 未考慮膠體影響的飽和度變化 45
圖4.9 未考慮膠體影響的孔隙比變化 45
圖4.10 不同膠體粒徑下試體之飽和度變化 47
圖4.11 不同膠體粒徑下試體之孔隙比變化 47
圖4.12 膠體含量對試體飽和度之影響 50
圖4.13 膠體含量對孔隙比變化之影響 50
圖4.14 膠體回脹倍數影響之飽和度變化 52
圖4.15 膠體回脹倍數影響之孔隙比變化 52
圖4.16 滲透係數對試體之飽和度變化的影響 55
圖4.17 滲透係數對孔隙比變化之影響 55
圖4.18 持水曲線輸入參數 57
圖4.19 持水曲線對飽和度變化之影響 57
圖4.20 持水曲線對孔隙比變化之影響 58
圖4.21 改變初始飽和度對飽和度之影響 60
圖4.22 改變初始飽和度對孔隙比之影響 60
圖4.23 改變初始孔隙比對飽和度之影響 62
圖4.24 改變初始孔隙比對孔隙比之影響 63
圖4.25 變化 δ值對飽和度變化之影響 64
圖4.26 變化δ值對孔隙比變化之影響 65
圖4.27 邊界靜水壓對飽和度變化之影響 66
圖4.28 邊界靜水壓對孔隙比變化之影響 67
圖5.1日興土粒徑分佈曲線 71
圖5.2日興土攝取水試驗之飽和度曲線試驗值(乾密度1.5g/cm3) 73
圖5.3日興土攝取水試驗之飽和度曲線試驗值(乾密度1.7g/cm3) 73
圖5.4日興土攝取水試驗之飽和度曲線試驗值(乾密度1.9g/cm3) 74
圖5.5日興土攝取水試驗經修正後之飽和度曲線(乾密度1.5g/cm3) 74
圖5.6日興土攝取水試驗經修正後之飽和度曲線(乾密度1.7g/cm3) 75
圖5.7日興土攝取水試驗經修正後飽和度曲線(乾密度1.9g/cm3) 75
圖5.8日興土不同乾密度之飽和度曲線(0.5天) 78
圖5.9日興土不同乾密度之飽和度曲線(1天) 78
圖5.10日興土不同乾密度之飽和度曲線(2天) 79
圖5.11日興土不同乾密度之飽和度曲線(4天) 79
圖5.12日興土持水曲線 83
圖5.13日興土乾密度1.5 g/cm3之飽和度曲線(攝取水試驗結果) 84
圖5.14日興土乾密度1.5 g/cm3之飽和度曲線(程式分析結果) 84
圖5.15日興土乾密度1.7g/cm3之飽和度曲線(攝取水試驗結果) 85
圖5.16日興土乾密度1.7g/cm3之飽和度曲線(程式分析結果) 85
圖5.17日興土乾密度1.9 g/cm3之飽和度曲線(攝取水試驗結果) 86
圖5.18日興土乾密度1.9 g/cm3之飽和度曲線(程式分析結果) 86
圖5.19 MX-80與日興土持水曲線輸入值 89
圖5.20 模擬處置場所用柱狀網格尺寸示意圖 90
圖5.21 厚度與飽和時間關係(MX-80) 92
圖5.22 厚度與飽和時間關係(日興土) 92
表目錄
表3.1 模型網格收斂比較 29
表3.2 MX-80物理性質分析 30
表3.3 滲透係數與孔隙比關係 31
表3.4 水份回脹程序 33
表4.1 改變膠體粒徑之膠體輸入參數 48
表4.2 改變膠體含量之膠體輸入參數 49
表4.3 改變膠體回脹倍數之膠體輸入參數 53
表4.4 滲透係數輸入參數 54
表4.5 改變初始飽和度之初始參數輸入 61
表4.6 改變初始孔隙比之初始參數輸入 62
表4.7 孔隙比變化量 63
表5.1 日興土物理性質分析 70
表5.2 試體初始乾密度對應之孔隙比 72
表5.3 日興土攝取水試驗之初始條件 82
表5.4 日興土膠體參數的輸入值 82
表5.5 日興土滲透係數 83
表5.6 案例分析網格元素 88
表5.7 MX-80與日興土膠體參數輸入值 88
表5.8 MX-80與日興土滲透係數輸入值 89
表5.9 MX-80與日興土初始參數輸入值 89
表5.10 MX-80於不同緩衝材料厚度飽和所需時間(年) 91
表5.11 日興土於不同緩衝材料厚度飽和所需時間(年) 91

參考文獻

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指導教授

黃偉慶(Wei-Hsing Huang)

審核日期

2005-7-14

推文