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地下测试深入探讨热量如何影响盐床储存库中的核废料容器

2021-11-12 10:16          放射性废物核废料处理


桑迪亚国家实验室的研究人员梅丽莎·米尔斯(左)和克里斯托弗·库尔曼(Kristopher Kuhlman)从他们的废物隔离试验厂试验场观察盐样本。图片来源:兰迪蒙托亚/桑迪亚国家实验室

研究改进计算机模型,为未来乏核燃料处置的决策者提供信息。

来自桑迪亚、洛斯阿拉莫斯和劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们刚刚开始了为期数年的实验的第三阶段,以了解盐床处置库中热核废物容器附近的盐和非常咸的水如何表现。

桑迪亚地球科学家兼该项目的技术负责人克里斯托弗库尔曼说,盐的独特物理特性可用于安全处置放射性废物。数亿年来,盐床保持稳定。盐会治愈自己的裂缝,任何开口都会慢慢关闭。

例如,新墨西哥州卡尔斯巴德郊外的废物隔离试验厂的盐——该国一些冷战时期的核废料埋葬在那里——以每年几英寸的速度关闭储存室,保护环境免受垃圾。然而,与乏核燃料不同,在 WIPP 掩埋的废物不会产生热量。

库尔曼说,美国能源部核能办公室的乏燃料和废物处置计划旨在为美国的多种可行处置方案提供可靠的技术基础,特别是热量如何改变液体和气体通过盐分并与盐相互作用的方式。从这项基础研究中获得的理解将用于改进概念和计算机模型,最终让决策者了解在盐床中处理乏核燃料的好处。桑迪亚是该项目的牵头实验室。

“盐是核废料储存的可行选择,因为在远离挖掘场的地方,任何开口都可以愈合,”库尔曼说。“然而,在挖掘点附近有这个受损岩石的光环。过去人们一直避免预测受损盐分内的复杂相互作用,因为 30 英尺外的盐分是一个完美的、不可渗透的屏障。现在,我们想加深对废物旁边早期复杂性的理解。我们了解得越多,我们对盐库的长期信心就越大。”

第一次实验中的反复试验

为了了解加热时受损盐的行为,库尔曼及其同事一直在 WIPP 地下 2,150 英尺的实验区域进行实验,该实验区域距离正在进行的处置活动超过 3,200 英尺。他们还监测盐水的分布和行为,盐水是在蒸发了 2.5 亿年历史的海洋留下的盐层中发现的盐水。在 WIPP 中发现的少量盐水比海水咸 10 倍。

“当天气炎热时,盐的行为大不相同。如果你加热一块花岗岩,情况并没有什么不同,”库尔曼说。“热盐蠕动得更快,如果它变得足够热,盐水中的水可能会沸腾,在废物容器上留下一层盐壳。然后蒸汽可能会移开,直到它冷却到足以返回液体并溶解盐分,这可能会形成一个复杂的反馈回路。”

桑迪亚国家实验室地球化学家 Melissa Mills(左)和桑迪亚地球科学家 Kristopher Kuhlman 展示了来自他们的废物隔离试验厂试验场的盐样本。他们刚刚开始为期数年的基础科学实验的第三阶段,以了解盐床处置库中热核废料容器附近的盐和非常咸的水如何表现。图片来源:兰迪蒙托亚/桑迪亚国家实验室的照片

换句话说,科学家们正在研究乏核燃料产生的热量是否有助于封闭废物容器,甚至保护它们免受咸水可能造成的腐蚀。

该实验的第一阶段计划于 2017 年开始,使用 WIPP 现有的水平孔。在这个“调整”阶段,研究人员了解了在后续实验中使用什么设备。例如,第一个加热器,它像烤面包机一样工作,并没有让附近的盐热到足以煮沸盐水,地球科学家菲尔斯托弗说,他在结合计算机模型和现实世界的实验方面具有专业知识,他领导着洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究。贡献。然而,该团队尝试的第二个加热器,红外线模型,是有效的。它更像太阳。

“当我们将第一个辐射加热器放入第一个钻孔时,作为安定阶段的一部分,结果证明空气不允许热量有效地进入岩石,”Stauffer 说。“然后我们切换到红外线加热器,热量在空气中传播,几乎没有能量损失。在早期的数值模拟中,我们只是天真地加热;我们不担心热量是如何从加热器进入岩石的。”

盐水和气体如何穿过盐分

在实验的第二阶段,该团队在大厅的一侧钻了两组 14 个水平孔,并将 100 多个不同的传感器插入包含加热器的中央水平孔周围的孔中。这些传感器在盐加热和冷却时监测声音、应变、湿度和温度。

桑迪亚地球化学家梅丽莎米尔斯制作了一种特殊的盐混凝土密封件,用于测试水泥和盐水之间的相互作用。

桑迪亚国家实验室地球科学家克里斯托弗库尔曼和洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家汤姆拉恩小心翼翼地从一个钻孔中提取盐水样本。照片由桑迪亚国家实验室提供

在使用的传感器中,有近 100 个温度传感器,就像家用恒温器中的传感器一样,因此研究人员可以随时间测量加热器周围位置的温度。劳伦斯伯克利国家实验室的地球科学家 Yuxin Wu 还安装了光纤温度传感器、应变仪和电阻率成像。

库尔曼说,桑迪亚地球科学家 Charles Choens 使用称为声发射传感器的特殊麦克风来聆听盐晶体在加热时膨胀和冷却时的“爆裂声”。该团队使用这些麦克风对爆裂的盐晶体的位置进行三角测量。

“这些爆裂物是盐床瞬时渗透性的证据——盐晶体之间的裂缝,盐水可以渗透通过。” 库尔曼说。“当你加热它时,它会关闭那些小裂缝。当盐热时,渗透性下降,但当它冷却时,裂缝暂时打开,渗透性增加。”

库尔曼说,为了测试气体通过受损盐的流动,研究人员将少量稀有气体(如氪和六氟化硫)注入一个钻孔并监测它们在另一个钻孔中的出现。“当盐很热时,气体不会去任何地方。当我们关掉暖气时,气体会渗入盐层并从另一个钻孔中排出。”

同样,该团队将实验室制造的盐水注入一个钻孔,其中含有少量铼元素和蓝色荧光染料作为“示踪剂”。该团队正在监测其他钻孔中是否出现液体,并将在测试结束时对其进行采样。

“荧光染料的目标——一旦我们钻出测试后的样本——就是绘制示踪剂的去向,”米尔斯说。“显然,如果我们检测到铼信号,我们就可以说它从一个钻孔到另一个钻孔,但我们不知道它走的路径。此外,盐水会与盐中的矿物质(如粘土)相互作用。荧光染料是一种识别液体示踪剂在现场实际去向的可见方式。”

在从 10 月中旬开始的第三阶段中,该团队将在他们在实验前几个阶段学到的知识的基础上,钻探一个由 9 个加热钻孔组成的新阵列。

在具有挑战性的地下条件下工作

Stauffer 和米尔斯说,该团队从实验的前两个阶段学到了很多东西,包括最好的加热器类型、钻孔的时间以及盐水的腐蚀性。

盐水渗入绝缘电线导致电子设备腐蚀的示例。废物隔离试验工厂中盐水的普遍性质只是桑迪亚国家实验室领导的研究团队在实验的前两个阶段克服的挑战之一。照片由桑迪亚国家实验室提供

“前两个阶段涉及大量设备测试;有些失败了,有些被送回了制造商,”米尔斯说。“我们还学会了保留备用设备,因为盐尘和盐水会破坏设备。我们需要双重密封,因为盐水会渗入绝缘电线,然后设备死亡。这是一个学习如何在盐环境中工作的过程。”

库尔曼同意了。“当您将敏感的实验室设备放入盐矿时,很多事情都会出错。我们回去阅读了 80 年代 WIPP 实验的报告。我们想从过去吸取教训,但有时我们不得不犯下自己的错误。”

研究人员正在与国际合作伙伴合作,使用该项目的数据来改进地下发生的复杂化学、温度、水基和物理相互作用的计算机模型。这将改进全球核废料储存库的未来建模。

库尔曼和 Stauffer 说,最终,该团队希望扩大到更大、更长时间的实验,以获得与未来盐库相关的数据。这些数据补充了已经收集的数据,将告知处置库设计者和政策制定者在盐库中永久处置发热核废料的安全性。

“对我来说,在一个如此动手的项目上工作真的很有趣,”米尔斯说。“开始设计和构建系统并进入 WIPP 的地下工作真的很有意义。在活跃的矿山环境中进行研究可能是一项挑战,但我很自豪能在那里工作并实施我们的想法。”

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