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岩盐层中核废料处置库温度、变形与应力场分析

作　者: 葛培
导　师: 王贵君
学　校: 河北工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 核废料处置库岩盐温度场变形场应力场
分类号: TL942
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

伴随着我国经济的快速发展,核能的利用也越来越广泛。核能有很多其它能源所不能企及的优点:第一是核能与其它能源相比,其具有高效性。在相同的前提条件下,核能所放出的热量将会是煤、石油、天然气所放出热量的近百倍。第二是核能是一种清洁能源。它与其它的能源不同,其在消耗的同时不会产生二氧化碳和二氧化硫等温室气体和有毒物质。但是随着核能的广泛利用,也产生了大量的核废料。怎样安全永久的处理这些核废料成为了全世界最为关注的问题。大量的实验和研究证明:岩盐是最适合贮藏核废料的几种围岩之一。核废料中的放射性元素,在其衰变的过程中将会放出大量的热量。通常情况下这些热量将会使处置库围岩的温度上升至100°C以上。在这么高的温度影响下将会使处置库围岩的温度场、变形场和应力场发生变化。如果处置库的裂隙过大那么将会威胁到处置库的安全性、密闭性和稳定性。本文利用热力学、岩石力学、蠕变和损伤力学对核废料处置库进行了温度场和热应力场的理论分析。然后利用FLAC3D软件对核废料处置库的温度场、变形场和应力场进行了数值模拟和分析。本文所研究和分析的主要内容包括下列几个方面:(1)对核废料处置库的围岩、固化方法、回填材料、地质屏障等进行了对比和分析。并详细叙述了岩盐作为处置库围岩的优点。(2)根据热力学、岩石力学和蠕变力学的理论知识,对核废料处置库的温度场和应力场进行了理论分析。最终给出了处置库温度场、应力场、变形场的计算公式。(3)利用FLAC3D软件对核废料处置库的温度场进行了数值模拟和分析。研究发现位于中间位置处置巷道的温度要大于两侧处置巷道的温度场。并讨论了处置间距对处置库温度场的影响。在处置巷道间距变为6m时,其温度场叠加现象较为明显。而处置巷道间距变为12m时的温度场和间距为18m时的温度场差别不大。(4)利用FLAC3D软件对核废料处置库的变形场进行了数值模拟和分析。研究发现处置库的巷道侧壁和拱底有相对较大的变形。在巷道拱底底角处有较大的模型网格畸变。这是由于处置库的拱底底角处有较大位移矢量造成的。(5)利用FLAC3D软件对核废料处置库的应力场进行了数值模拟和分析。处置库的最大主应力主要分布在处置库围岩的近场。在处置库的侧壁和拱底都出现了拉应力。从这里我们也可以很好的解释处置库变形场产生的原因。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1-1 研究背景  10
  1-2 目前国内外核废料处理的主要方法  10-12
    1-2-1 核废料的分类  10-11
    1-2-2 核废料的处理方法  11
    1-2-3 国内外对核废料处置库围岩的选择  11-12
  1-3 本文的研究意义和主要内容  12-14
    1-3-1 本文的研究意义  12-13
    1-3-2 本文的主要研究内容  13-14
  1-4 本章小结  14-16
第二章核废料处置库的多屏障系统  16-26
  2-1 核废料中放射性核素的主要特性  16-19
    2-1-1 核废料放射性核素的组成  16-17
    2-1-2 核废料的固化方法  17-19
  2-2 核废料的地质处置  19-22
    2-2-1 核废料地质处置的多屏障系统  19-20
    2-2-2 核废料处置库的回填材料  20-21
    2-2-3 核废料处置库对围岩的特殊要求  21-22
  2-3 核废料处置库的地下实验室  22-25
    2-3-1 建造处置库地下实验室的目的  22-23
    2-3-2 核废料的放热过程  23-24
    2-3-3 放射性核素的近场释放  24-25
  2-4 本章小结  25-26
第三章核废料处置库的温度场和应力场理论分析  26-40
  3-1 核废料处置库的温度场  26-32
    3-1-1 岩体内部的温度场  26-27
    3-1-2 岩体中的热传导  27-28
    3-1-3 岩体的热传导微分方程  28-31
    3-1-4 围岩热传导的边值条件  31
    3-1-5 接触岩层之间的热量计算  31-32
    3-1-6 处置库围岩吸收的总热量  32
  3-2 岩体内部的热应力  32-34
    3-2-1 热应力和热应变  32-33
    3-2-2 地下核废料贮存室岩体内部的热应力  33-34
  3-3 考虑温度的力学本构模型  34-37
    3-3-1 温度作用下的损伤分析  34-36
    3-3-2 温度作用下蠕变损伤关系  36-37
    3-3-3 本文所选用的模型  37
  3-4 本章小结  37-40
第四章核废料处置库的数值模拟与分析  40-73
  4-1 处置库的数值模型  40-47
    4-1-1 处置库数值模型概述  40-42
    4-1-2 计算模型的建立  42-43
    4-1-3 计算模型的边界条件和初始条件  43-44
    4-1-4 计算模型的单位和相关参数  44-45
    4-1-5 计算模型的放热衰变函数  45-47
    4-1-6 计算模型的开挖及塑性区分布  47
  4-2 处置库温度场的数值模拟和分析  47-52
  4-3 处置巷道间距对温度场的影响  52-56
  4-4 处置库变形场的数值模拟和分析  56-65
    4-4-1 只考虑温度场引起的变形场分析  56-58
    4-4-2 岩体自重应力和热应力双重作用下处置库的变形场  58-65
  4-5 处置库应力场的数值模拟和分析  65-71
    4-5-1 只考虑温度场引起的应力场分析  65-68
    4-5-2 岩体自重应力和热应力双重作用下处置库的应力场分析  68-71
  4-6 本章小结  71-73
第五章结论与展望  73-75
  5-1 结论  73-74
  5-2 展望  74-75
参考文献  75-78
致谢  78

岩盐层中核废料处置库温度、变形与应力场分析

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