地下热负荷模拟用于评估在以色列内盖夫沙漠处置废物罐的可行性

《Vadose Zone Journa》：Subsurface thermal loading simulations to assess the viability of waste canister disposal in the Negev Desert, Israel

核废料地下处置温度场及 fractured zones 影响评估。美国与以色列合作研究内盖夫沙漠 Ghareb Formation 中间深度钻孔处置方案，通过 FEHM 模拟分析低热导率岩石（0.38-0.87 W/m·K）下 SNF 热释放引发温度梯度、蒸汽生成及 fractured zones 对流体运移的调控作用，发现 12kW 热负荷下温度梯度可控，但 18kW 时可能引发超孔隙压力（>265℃）。研究提出需考虑 fractured zones 的气相运移及 TOC 分解产生的烃类气体叠加效应。

　　在以色列内盖夫沙漠的深层地表下核废料处置研究中，科学家们正在探索一种创新的解决方案，即将使用中等深度钻孔（IDB）来处理废弃的核燃料（SNF）。这一研究是美国与以色列之间的合作项目，旨在评估该地区的地质条件是否适合长期储存放射性物质。内盖夫沙漠的干旱气候和深水位为这种处置方式提供了潜在的优势，而Ghareb地层因其低渗透性和高铀吸附能力，被认为是理想的宿主岩。然而，SNF在地表下释放的热量可能会对周围岩层产生深远影响，尤其是在高温环境下，可能会引发水的汽化和有机质的热分解，从而改变地层中的压力和饱和度。

为了准确评估这些影响，研究团队采用了多种模型和模拟技术，包括有限元热与质量传递代码（FEHM），这是一种能够处理多相流体和热传递的复杂模拟工具。通过FEHM，研究人员能够模拟不同热负荷情况下的温度、饱和度和压力变化，同时考虑有机材料的热分解过程。这些热分解反应的动力学方程是基于对Ghareb地层样本的热分析得出的，能够帮助预测在高温条件下可能产生的气体种类和数量。由于目前IDB的设计尚未完全确定，包括每个钻孔中SNF的装载量，因此研究中还探讨了不同的场景，例如蒸汽和石油的生成，以及是否存在溶洞等结构特征。

在研究中发现，SNF的热释放会随着时间呈指数衰减，但某些长寿命的放射性同位素仍可能在数万到数百万年内持续产生热量。这种热量在IDB周围形成局部高温区，可能超过265°C，从而导致孔隙水的汽化和有机质的热分解。当温度超过这一阈值时，孔隙水的体积膨胀和气体的生成可能显著增加地层内的流体压力，甚至接近岩石的静水压力。如果这种压力超过岩石的承受能力，可能会引发水力裂缝，从而影响SNF的长期安全储存。因此，研究重点在于如何通过合理控制热负荷来避免这些潜在风险。

Ghareb地层的有机质含量较高，总有机碳（TOC）浓度在7%到21%之间，这意味着在高温条件下，该地层中的有机材料可能会发生剧烈的热分解反应，产生大量气体。这种气体的生成速度取决于地层的热导率和有机质的分布情况。研究显示，当热导率较低时，SNF周围的温度会升高，从而加快有机质的分解速率。在模拟中，研究团队还考虑了地层中是否存在裂缝和溶洞等结构特征，因为这些特征可能成为蒸汽和气体的迁移通道，进而影响核废料的扩散路径。

此外，研究还发现，Ghareb地层的渗透性极低，这意味着在没有裂缝的情况下，流体和热量的迁移将受到极大限制。然而，一旦存在裂缝，流体的迁移速度将显著加快，尤其是在高渗透性的裂缝区域。在模拟中，研究人员采用了双渗透模型来描述裂缝和基质之间的相互作用，并通过实验数据验证了模型的适用性。这种模型能够有效模拟流体在裂缝和基质中的流动模式，为理解核废料在地层中的扩散提供了科学依据。

研究还提到，实际的地质条件可能会对热负荷和流体迁移产生重要影响。例如，在Yamin平原的WB-1钻孔中，研究人员发现了多个裂缝和溶洞区域，这些结构的存在可能会改变地层的热传导和流体流动特性。因此，在模拟过程中，需要综合考虑这些结构的影响，以确保模型的准确性。同时，研究团队也关注了热传导过程中的其他因素，如孔隙水的蒸发、毛细力作用以及热对流等，这些因素都可能对IDB周围的温度和压力场产生重要影响。

在模拟中，研究人员还测试了不同热负荷条件下的温度变化。结果显示，当热负荷较高时，温度在IDB周围会迅速上升，而在较低的热负荷下，温度变化相对平缓。研究指出，12 kW和18 kW的热负荷会导致不同的温度峰值，分别为182°C和265°C。这些温度的变化对地层中的流体压力和饱和度具有重要影响，尤其是在裂缝和基质之间的相互作用区域。模拟还表明，当热导率较低时，热能更容易在IDB周围积累，从而增加蒸汽和气体生成的风险。

为了确保核废料的安全处置，研究团队特别关注了热负荷的控制问题。他们建议将热负荷限制在12 kW以内，以避免对有机质的热分解和对地层结构的潜在破坏。这一建议基于对Ghareb地层热导率和有机质含量的综合分析，以及对不同热负荷条件下压力变化的模拟结果。同时，研究还强调了裂缝和溶洞在热能迁移和流体流动中的作用，这些结构可能成为放射性物质扩散的通道，因此在评估地层的长期安全性时必须加以考虑。

除了热负荷和流体迁移，研究还探讨了核废料在地层中可能的扩散路径。通过模拟不同热负荷条件下的气体迁移，研究人员发现，在存在裂缝的情况下，气体可以快速迁移至较远的区域，甚至超过60米。这种迁移能力与裂缝的渗透性和结构特征密切相关。然而，由于基质的渗透性极低，气体和液体的迁移主要依赖于裂缝的存在。因此，研究团队建议在设计IDB时，充分考虑裂缝和溶洞的分布情况，以优化热能管理和流体迁移路径。

研究还提到，核废料的长期储存需要综合考虑多种因素，包括热能释放、流体迁移、气体生成以及地层的物理和化学特性。Ghareb地层的低渗透性和高吸附能力使其成为一种理想的宿主岩，但同时也带来了热能管理和压力控制的挑战。在模拟过程中，研究人员采用了多种方法，包括实验数据的整合、模型的参数校准以及对不同热负荷条件下的压力和温度变化进行分析。这些方法帮助团队更全面地理解了IDB周围环境的变化趋势，并为未来的工程设计提供了科学依据。

总体而言，该研究强调了在设计和评估中等深度钻孔核废料处置系统时，必须综合考虑热能释放、流体迁移、气体生成以及地层结构的复杂性。通过对Ghareb地层的详细模拟和实验分析，研究人员能够预测在不同热负荷条件下可能产生的温度、压力和饱和度变化，并据此提出优化的热负荷限制和工程设计建议。这些结果对于确保核废料在地表下的长期安全储存具有重要意义，同时也为其他类似地质条件下的核废料处置研究提供了参考价值。