石墨-膨润土缓冲材料的最优配置方法

核废料封存到处置库后还会继续释放衰变热,需要加快热量向周边围岩消散,确保处置库处于安全运行状态。而提高缓冲层的导热性能成为解决该问题的突破口。将天然石墨粉掺入到钠基膨润土中,以期配置成导热速度快、隔离能力强的缓冲层回填材料。通过开展石墨-膨润土混合物的自由膨胀率、恒体积膨胀力、饱和渗透系数和导热系数等试验,研究石墨掺入率(Rg分别为5%、10%、15%、20%、30%、40%)和不同粒径(297、150、74、44μm)对其水-力-热性能的影响规律。结果表明,掺入石墨后显著提高了膨润土的导热性能,但其提升幅度受石墨掺入率、初始含水率和初始干密度等因素影响。综合分析石墨-膨润土混合物的水-力-热性能参数,发现最优石墨掺入率处于15%~20%(质量比)范围内;相同石墨掺入率下石墨粒径为150μm或74μm时混合物的水-力性能最优。石墨-膨润土混合物压实后的孔隙分布显示,相同石墨掺入率下石墨粒径过大或者过小都易形成大孔隙。究其原因,天然鳞片状石墨呈扁平状,大部分膨润土颗(团)粒小于石墨,与石墨属于点-面接触方式。尤其是压实程度不高时,膨润土颗(团)粒和石墨接触面处存在大量的孔隙;而且石墨属于憎水性材料,对水分子的拖拽力弱,即使膨润土吸水膨胀后,水分也容易从石墨薄片表面处通过。

掺入膨润土中的石墨最大粒径确定方法

核废料处置库缓冲层除要具备良好的隔离防渗外,还需要有卓越的导热性能。为此,论文以钠基膨润土为基础,混入高导热率天然石墨,配置兼具防渗-导热功能的缓冲材料。按照相同的石墨掺入率(20%,质量比),把最大粒径为50目、100目、200目和325目的石墨分别掺入膨润土,形成均匀的石墨-膨润土混合物。开展膨润土-石墨混合物自由膨胀率、恒体积膨胀力和渗透等水-力特性试验,探讨石墨粒径对膨润土-石墨混合物水-力性能的影响。结果表明,相同石墨掺入率下,最大粒径100~200目的石墨和膨润土混合,可以形成更好的缓冲材料,其渗透系数最小,而膨胀力最大。究其原因,应与石墨-膨润土的接触方式相关。石墨呈扁平状结构,粒径较大时,石墨和膨润土被压实后,容易在扁平结构末端形成未被充填的孔隙;而石墨粒径较小时,石墨和膨润土颗粒接触面积增大,石墨属于憎水性材料,膨润土-石墨界面处提供了更多渗漏通道。研究结论为配置核废料处置库缓冲层材料提供了科学参考。

Nano-CaO抑制膨润土的胀-缩行为

高压实膨润土吸水后高度膨胀能提高其“自愈能力”,同时也可能会对围岩和核废料金属罐产生损伤,故调控膨润土的胀缩性能具有重要的研究价值。通过掺入4%不同质量比纳米氧化钙(nano-CaO),抑制膨润土的胀-缩性能。结果表明,干密度1.40g/cm^3纯膨润土的膨胀率为148%,收缩稳定后的收缩量为63.2%;添加4%纳米氧化钙后膨胀率为70%,收缩稳定后的收缩量为34.8%,说明纳米氧化钙可以抑制膨润土的胀缩行为。通过扫描电镜和XRD表征发现,纳米氧化钙与膨润土矿物发生水化反应后生成“针状”的胶凝物质,形成稳定的网状结构。另外,孔隙分布特性曲线表明,约束作用下纳米氧化钙水化“消失”会形成新孔隙,蒙脱石吸水膨胀后能充填部分孔隙;但受氧化钙水化作用的影响,蒙脱石膨胀受到抑制,仍会留下部分孔隙未能被充填。与初始压实状态相比,添加纳米氧化钙后尽管在一定程度上提高了其密实度,但没有纯膨润土膨胀充填的效果理想。

压实膨润土加砂混合物的导热性能

为研究压实砂—膨润土混合物的导热特性,采用基于瞬态热线法的热传导仪及压汞试验,分别测定了不同含砂量下混合物的导热系数及孔隙分布。试验研究结果表明:当含砂量小于20%时,砂—膨润土混合物的导热性能随掺入量增大而增强,但超过20%后会逐渐减少。通过压汞孔隙分析试验,发现掺入砂后,孔径0.5~1μm范围的大孔隙没有减少,反而导致更大孔隙出现,说明砂对孔隙无显著的充填效应。可见,掺砂可以提高膨润土导热性能,但存在孔隙率增大的不足。