文摘
核能以来人类贡献了很多成功的使用电力发电。根据全球统计,核电占总发电量的16%在2020年。然而,核电的快速发展也带来了一些问题,核废料的储存是棘手的。这项工作进行了一系列的建模与仿真分析的地质储存核废料gas-saturated深煤层。作为第一步,一个耦合的heat-solid-gas模型有三个宪法传热、变形、煤或天然气渗流,提出了基于三个管理保护方程。经批准的力学模型涵盖了一系列温度变化之间的互动影响,双重渗透率煤、热应力、气体吸附。第二步,有限元数值模型和开发数值模拟分析存储核废料的gas-saturated深煤层基于偏微分方程(PDE)的解算器COMSOL多重物理量与MATLAB。数值模拟实现,解决了然后得出以下结论核废料室加热周围煤层首先在初始存储阶段,400年,然后由远场加热热源。气体流的初始速度与距离的增加逐渐减少存储室。煤气流从中央向外的外部区域存储室气体压力时的第一个100年在该地区附近的中央存储室高于在遥远的地区和流动而外部区域的温度较高。 The modeling and simulation studies are expected to provide a deep understanding on the geological storage of nuclear waste.
1。介绍
核能为人类提供了大量的电能。它有可能是一个重大的,全球性的,可伸缩的,无碳能源在未来。核电服务人类的连续供应能量超过六十年自1954年以来,当一个小Obninsk工厂成立于俄罗斯。到2019年,世界上超过四百四十个核电站生产约10%的电力(1- - - - - -3]。世界上最大的三个国家对核能发电是美国,日本和法国。美国有超过100个核电机组总容量为98.2 GW。在2019年,生成的核能在美国占超过30%的世界上核电的总额(809太瓦时4]。日本开发核能,核能的第二大生产国,在核电占发电总量三分之一的国家(5]。在法国,核能占超过70%的国家的发电基于58运营单位的装机容量63.1千瓦(6]。虽然核能提供能源支持人类的发展,也引起了许多棘手的问题。核废料储存一直是一个棘手的和棘手的问题。正如我们所知,核废料的放射性废料,是一种对人类健康产生重大影响,如果处理不当,和一个核反应堆的平均寿命是几十年。因此,每年越来越多的核废料被释放。研究提出各种可能的方法来存储浪费核反应堆后在考虑不同的因素,如政策和技术。地质储存在深georeservoir最潜在的可能性似乎核废料的处理,在该领域已引起了高度重视。这意味着核废料的及时传输和存储在存储库中的地下目标形成一旦从反应堆中删除。
国内外学者进行了大量的研究核废料的地下储存。深地质储存室的一般设计要求一个屏蔽箱的核废料。坦克被放置在一个主机岩层。目前,不同种类的岩石已经被讨论了核废料储存的可行性。2007年,麦金利et al。7)发表了一个很好的概述关于选择地层形成的发展过程。总结,形成与岩石类型如岩盐、粘土岩,花岗岩是可能的目标主机的岩石的地质储存核废料。基于一系列的实验中,贾et al。8]分析了核废料的储存在饱和硬粘土;他们还建立了弹塑性损伤模型的变形在一个复杂的thermal-hydro-mechanical条件下围岩。Moog et al。9]报道了超低渗透特征的花岗岩和认为核废料的储存在花岗岩的形成。Plua et al。10]介绍了大规模建模高放射性核废料的地下储存Callovo-Oxfordian粘土岩和数值分析提出了一种新的方法。数值计算工作,核废料的室被认为是存储在一个深粘土岩的形成,已被选为一个工业试情节在法国地质处置。膨润土具有可塑性的有利特点,膨胀能力,胶体过滤、渗透系数低、高缺陷主要放射性核素,稳定在复杂地质环境中,它被当作一种安全组件在工业工程为不同类型的核废料储存11]。Abdel-Karim et al。12)收集了沙子和砂岩样品从真主rad-waste处理站点和原子能机构检查geochemical-physical属性。结果表明,间质铁的样品具有较高的内容2O3和艾尔2O3,防止通过吸附污染物运输重要组成部分。真主的rad-waste处理网站有高可能性来满足需求的核废料储存间隙的内容提出了高铁2O3和氧化铝是重要的防止通过吸附污染物运输代理。基于现场数据收集从一个特定的地点从东南沿海的瑞典和实验结果从Aspo获得坚硬的岩石实验室,Tiren et al。13]采用三维(3 d)可视化方法模型假设网站高级核废料的储存(HLNW)。在他们的模型中,室位于trans-Scandinavian花岗岩类岩石形成的火成岩带的深度500米。研究结果表明,假设条件的可行性高层核废料存储。2010年,Streimikiene和Mikalauskiene [14)分析和比较的挑战地质碳和核废料存储在立陶宛。他们还评估的成本核的发展和碳捕获和储存技术。这是因为立陶宛是面对纳核电站的最后关闭和核废料的储存。在中国,研究人员进行了大量的调查分析从表面和地下方面通过映射和地下钻孔勘探实践的候选人的网站。他们已经全面的地质、水文地质和地球物理数据。最终结果是,新昌旅游网站在北山地区被选为中国首个地下研究实验室网站(15]。尽管学者们认为联轴器在煤层的核废料的储存,很少有人考虑gas-saturated环境的特点。
地质储存核废料导致复杂的变化存储室和岩石。他们的本性和性能将根据内部和外部条件变化通过整个加热和冷却过程的核废料。作为这些过程捐赠潜在影响工程安全,有必要识别和理解环境的围岩深刻的变化,以确保相关的安全要求。在核废料储存引起的环境变化,在thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC)耦合是迫切需要解决的难题。伯尼尔et al。16]指出thermofield之间的复杂的相互作用,hydrofield、机械领域和化学领域会影响运输放射性核素的储存室和周边环境。最终的影响程度取决于浪费和环境的动态特性。通过使用thermohydrological变量,佐佐木和Rutqvist17)开发了一种方法来近似表示主岩的压力和渗透率的变化引起的压力。耦合thermo-hydro-mechanical模拟使用TOUGH-FLAC模拟器成立。研究结果表明,开发的方法从THM-coupled TH-coupled模拟与计算数据仿真模拟的10000多年的时间。研究围岩的反应在热负载下的背景下深地质放射性废物储存、法国国家放射性废物管理机构做了一系列的实验,包括原位实验在默兹/ Haute-Marne地下研究实验室(18]。钢套管的热机械行为,配备应变仪,位移传感器和温度传感器也进行了讨论。他们还监视环形空间的发展和研究的thermo-hydro-mechanical行为近或远的岩石在不同孔隙压力和温度是通过传感器,安装在外围的水井。考虑到极端气候的变化,博尔顿等。19)模拟了岩石圈thermo-hydro-mechanical极端气候的影响,这可能会延长水库深处。研究结果表明,冰川作用影响深度范围内。它需要被认为是在一个安全分析深部岩石圈存储的领域长期存在的放射性核素在过去容易冻结成冰。霍尔顿et al。20.)描述了一种有效的手段来评估最高温度变形的约束,是将废物容器中。他们发现钠蒙脱石将进行矿物蚀变当温度增加明显,这将减少的扩张性质的材料。在一个近似地下核废料储存在实验室环境、张(21)观察到的thermo-hydro-mechanical行为固化的广泛Opalinus粘土岩。结果表明,核废料的最高温度是一百摄氏度。在大型深地质处置,可能发生氢脆的钛船只一旦氧气耗尽。因此,Zhang et al。22)预测的潜在危险脆化造成的高放射性核废料的容器;氢进入研究了钛在不同的温度下在北山模拟深部地质环境,这是预选HLNW存储区域在中国。斯特罗姆et al。23]介绍了基岩和表面建模工作的概述,包括网站的一个主要部分描述在瑞典,称为网站描述。site-descriptive模型涉及到多学科的解释地质学、岩石力学、热特性、水文地质、水文地球化学、传输特性和生态系统使用数据输入形式的表面和深水井。Salama et al。24)探讨了各向异性地质高级核废物处置库。数值结果表明,甚至一点点的不同各向异性导热的母岩方向可以有趣的对温度场的影响,和温度轮廓是一致的对各向异性的主要方向。此外,发现缓冲区的峰值温度越大,各向异性的角度越小,反之亦然。为了更好地理解地质核废料储存的过程,Dupray et al。25)提出了一个案例研究使用thermo-hydro-mechanical有限元灵敏度分析方法包括不饱和土壤的一致的热塑性本构模型。模型功能耦合thermo-hydro-mechanical保水曲线的方法。结合各种联轴器分别进行了研究,以确定的意义。温度的变化引起的地质储存核废料吸引了很多学者的关注;然而,研究耦合温度之间的互动影响,围岩/煤和天然气的核废料储存仍然缺乏。
研究存储核废料gas-saturated深煤层,本文进行了力学建模和数值模拟工作。理论heat-solid-gas耦合传热模型有三个组件,气体渗流,固体变形是由三个守恒方程。热能量守恒方程建立之前,核废料的温度衰减进化了。对煤变形、机械平衡的考虑显然是适用的热应力和气体的压力。迁移的气体在煤基质和裂缝网络满足质量守恒方程和气体流动遵循达西定律。通过使用PDE的解算器COMSOL多重物理量与MATLAB、经批准的力学模型是成功实现数值模型,解决了数值模拟在部分3。部分4分析和量化的数值结果存储核废料gas-saturated深煤层。最后一节的结论和理解5,预计将提供一个深入了解的地质储存核废料。
2。建模的存储核废料
有三种典型的热能量的扩散、煤层变形,逃逸的气体,彼此相互影响的存储核废料gas-saturated煤层。在建模之前,我们假设周围的煤是在密切接触核废料的坦克。每个物理场的控制方程是建立在这一节中,如下所示。
2.1。温度随时间的演化核废料罐
核废料的剩余反应是筋疲力尽,核废料储存室的温度逐渐降低(26]。为了澄清温度衰减进化的核废料本身,相关的数据收集和分析的国内外研究成果,一个简单而实用的半经验的曲线演化的温度。图1显示了核废料的温度衰减曲线,点代表的报告日期由郑et al。27]。从图1,一个人可以发现核废料的温度随储存时间的初始温度370 K到298 K的最终温度后约4000年。在第一个1500年,核反应堆的温度以越来越快的速度减少,而温度的下降速率逐渐减慢在以后的2500年。因此,核反应堆的温度随时间的演化由物流功能可以安装 在哪里核反应堆的温度,K和是存储在单位一年时间。如图1,拟合结果与报道的数据从郑et al。27]。
2.2。扩散的热能
总热通量在煤层包含导热和对流,可以表示为28] 在哪里是总热通量速度,(J / (m2·s));是有效的热导系数gas-saturated煤(J / (m·s·K));是温度的增加,K;和分别代表天然气和煤的密度,公斤/米3;是气体的比热常量,kJ /(公斤·K);和是向量的气体速度,m / s。
根据达西定律,可以表示为(29日,30.] 在哪里捐赠的动态粘度气体,Pa·s;煤层的渗透率,米2;和压力梯度 ,Pa / s,可以表示为
节能在煤层遵循能量守恒方程(31日] 在哪里捐赠的比热容gas-saturated煤、焦每公斤·K)。
2.3。煤层变形
核废料存储期间,温度和气体压力的变化将触发气体解吸变形和热膨胀。据邓et al。32),气体解吸引起的变形与气体压力和温度的变化 在哪里是气体sorption-induced体积污点;变形参数;和 , ,和是气体吸附系数。热膨胀是线性依赖于温度的变化吗 ,在哪里热膨胀系数。
建立变形模型,假定煤层变形应力作为一种弹性材料和应变有以下关系33]: 在哪里煤炭是毕奥系数;和剪切和体积弹性模量的煤炭、MPa,分别;泊松比;和捐赠的克罗内克符号定义为1 0,如果 。
2.4。在煤层气体逃逸
核废料的储存会导致重新分配煤层气在煤和岩石的温度变化。煤通常视为dual-porous介质包含煤基质和裂缝网络;气体的逃逸矩阵和断裂系统遵循质量守恒方程在同一类型(34] 在这,是气源;气体的密度可以表达的气体压力 在哪里和通用气体常数和气体的摩尔质量。
根据(35,36),气体在煤基质和裂缝网络的转移压力梯度成正比 在哪里是系数和解吸时间和代表了天然气压力煤炭矩阵和煤炭裂缝网络,分别MPa。
煤炭矩阵、天然气存储在两个吸附状态和空闲状态。气体含量可以表示为 在哪里吸附体积系数,公斤/米3。在断裂网络、天然气存储在自由气体状态,气体含量是 在哪里和煤的孔隙度矩阵和裂缝网络,分别。
煤基质的渗透率和裂缝网络可以表示为(33,35] 在哪里网络的压缩性骨折。
方程(6),(8)。和(9)构成一个完全耦合heat-solid-gas耦合模型存储浪费核深煤层。显然很难解决这种提议的一个解析解非线性偏微分模型。然而,数值解可以很好地解决了PDE的能手,COMSOL多重物理量与MATLAB强大的PDE-based多重物理量建模环境。
3所示。地质环境和模型建立
目标煤层的埋藏深度是800米,还有一些地下水形成之上或之下。煤层的屋顶和地板是砂质泥岩,从煤矿没有明显干扰。核废料的应该是存储在煤炭钱伯斯,仍在前面的煤炭开采实践。图2(一个)显示核废料储存的示意图深煤层。你可以找到一个垂直轴和水平巷道的访问存储室。核废料的处理在地面处理中心,然后运输到存储室。
为了简化计算,平面切片图2(b)能够真正地代表了基于平面应变假设基本计算面积。选择ABCD的矩形几何模拟循环存储室。矩形模型的长度是100米,和中央室的直径8米。在煤层中,原位气体压力和温度3.5 MPa和298 K,分别。的位移边界广告和BC是克制的 - - - - - -而边界的位移方向AB和直流是克制的 - - - - - -方向。中央边界是免费的应力和位移约束的模型。煤层气体的情况下,边界ABCD被当作一个矩阵和对称边界断裂系统,气体流动和分布对称这些边界,边界和中央是一个密封的边界没有通量。的转会温度、边界ABCD是给定一个恒定的温度298 K,而中央边界温度时间,见方程(1)。其它仿真参数取自文献或决定从传统煤和岩石的力学性能。表1列出了主要仿真参数。
4所示。分析计算结果
4.1。储层温度的空间演变
图3显示储层温度的空间分布不同的存储时间的10后,100年,1000年和5000年。从图3,可以发现,受灾地区储层温度逐渐增大核废料的储存时间。在第一个十年的存储,核废料对储层温度的影响主要发生在大约15米范围内的储存室,在降低温度的梯度增加距离是非常大的。核废料的储存更加开放的地区影响很小的距离大于15米。存储后的100年,储层温度的增加是主要集中在距离大约30米的存储室,而储层的平均温度增加不超过2°C的进一步的区域。存储后的1000年,储层温度的影响距离由中央存储核废料达到40米。此时,储层温度的最大值是显著降低358.4°C。这是因为核废料的温度减少很多在1000年之后。当存储时间达到了5000年,整个煤层的温度下降后的初始温度298 K消耗存储核废料的反应。
图4的定量储层温度的演化是存储在不同的存储的时间距离。这表明核废料源加热周围相邻的煤储层首先然后由远场加热热源。由于储层温度的演化曲线距离存储在不同的存储时间得到交叉,并接近中央室的过境点与存储时间。
4.2。储层温度随时间的演变
图5反映了储层温度随时间的演化在存储的距离5、10、20、30、40 m的核废料。首先表明,温度上升然后下降。由于连续衰减的核废料反应随着时间的推移,核本身产生的热量逐渐减少;因此,核废料死亡的温度。早期的核废料储存(约200到400年),核反应加热周围的煤层,因此温度逐渐上升。核反应走弱时,核废料的温度降低,热量加热seam进行向中央和外地区,导致煤层的温度降低。以5米的距离为例,我们可以发现,峰值温度为333°C存储时间为200年之后。储层温度的升高和时间的时间和减少之后。图5还表明,峰值温度的值随距离中央室,和相应的存储时间峰值温度增加。例如,峰值温度的距离10、20、30、40 m 322°C, 312°C, 306°C,和301°C,在相应的存储275年、352年、371年和398年,分别。
4.3。在煤层瓦斯压力的进化
图6代表在煤层瓦斯压力的分布的存储时间10后,100年,1000年和5000年。温度的变化导致一系列coal-gas-temperature耦合,如气体吸附增强,煤的扩张矩阵,气体压力的增加。在图6它可以清楚地看到,气体压力在该地区附近的中央存储室高于10和100年后在遥远的地区,和煤层气流动从中央向外存储室外区域。1000年和5000年,储存时间的外部区域的温度高于中部地区,那里的气体流。这是储层温度的变化的反应,当气体压力对温度的变化很敏感。
4.4。在煤层气体流量
数据7和8显示气流的速度在不同的距离在煤基质和裂缝网络,分别。从数据7和8,一个人可以发现气体流的初始速度随着距离的增加逐渐降低。煤裂隙网络的初始值是1.42,1.11,0.65,和0.3 nm / s的位置与距离10,20、30和40 m,分别。煤炭矩阵,流速的相应的初始值是0.35,0.1,0,0 nm / s,分别。由于初始温度较高的核废料和快速冷却,煤气流回去。因此,气流的速度逐渐减少或最终逆转到相反的方向,特别是在该地区的距离较短。例如,气体流量是一个明显的负面价值的距离10米煤炭矩阵之间的存储范围从6到110年。
5。结论
在这项研究中,一个耦合heat-solid-gas模型有三个宪法传热领域,开发煤变形、和天然气渗流分析地质储存核废料的gas-saturated深煤层。模型涵盖了一系列的温度变化之间的互动影响,双重渗透率煤、热应力、气体吸附。然后应用于数值模拟与MATLAB PDE COMSOL稳定的物理模型的解算器。因此,从这项研究中可以得出以下结论:(1)在400年的初始存储阶段,核废料储存加热周围煤层首先然后由远场加热热源。存储后的100年,储层温度的增加是主要集中在距离大约30米的存储室,而储层的平均气温上升不超过2°C的进一步的区域。1000年后,储层温度的影响距离由中央存储核废料的影响达到40米(2)气体流的初始速度和存储室的距离增加逐渐降低。气体压力在该地区附近的中央存储室高于10和100年后在遥远的地区,和煤层气流动从中央向外存储室外区域。1000年和5000年的存储时间后,外部区域的温度高于中部地区,和气体流动
提出heat-solid-gas模型和仿真分析预计将提高当前地质储存核废料的理解。
数据可用性
使用一些计算参数的数值模拟工作。所有这些参数都来源于历史文献和相关表中列出的实验研究1。
的利益冲突
我想对这篇文章作出如下声明代表所有合作者的利益冲突:(a)这篇文章组织的共同努力下所有的作者,和作者同意的顺序应该签署文件。本文(b)是最初的工作,从未在其他地方发表之前,不会提交出版其他地方提交的这一时期。(c)提交的手稿已经批准所有作者列出。
确认
支持的论文是国家自然科学基金(52004285,U1910206),中央大学的基础研究基金(2021 yqny06)从中国矿业大学和Technology-Beijing和重点实验室开放基金的安全和高效的煤矿(JYBSYS2019101)。本文表达了深深的感谢所有上面的支持。