中科院之聲 - 緩衝材料溫度-應力耦合下氣滲機理研究獲進展－鑽石舞台

高放廢物地質處置是核工業產業鏈最後一環，關乎核工業產業的可持續發展。地質處置是目前國際上公認的解決方案，即將高放廢物進行玻璃固化處理，密封在金屬罐體內，而後深埋於地下硐室，使之與生物圈隔離，從而減小對環境的影響。

緩衝材料放置在金屬罐體與地下硐室之間，除了保護罐體不受機械衝擊、封堵天然裂隙和吸附放射性離子外，還可將罐體表面因化學、生物作用而產生的氣體排出，以避免氣壓聚集對屏障系統的密封性造成損傷。然而，在長期的地下封存過程中，罐體內高放廢物還將衰變放熱，溫度對緩衝材料氣滲特性的影響不容忽視。由於實驗設備等條件限制，目前研究較少涉及實時高溫與應力耦合作用下緩衝材料氣滲特性演化規律。

中國科學院武漢岩土力學研究所岩體工程多場耦合效應學科方向組自主研發了THM（溫度-滲流-應力）耦合試驗設備，實現了實時高溫與應力耦合作用下低滲材料氣體滲透率的精確測量，系統開展了實時高溫與應力耦合作用下緩衝材料試樣的氣滲特性演化規律及其機理研究。基於等效穩態法，在不改變試樣飽和度的條件下，研究測量了試樣在不同實時高溫與圍壓加卸載作用下的體積變形和有效氣體滲透率；採用應變片獲得了變溫與圍壓加載過程中試樣的變形，進而分析了變溫與圍壓荷載對樣品氣滲與變形特性的影響規律。

研究發現，在實時高溫下，溫度升高會增大試樣圍壓加載時的壓縮變形，而對圍壓卸載時的變形恢復影響不明顯；且相同溫度條件下加、卸載過程中的有效氣體滲透率與試樣連通孔隙率之間均存在良好的指數關係。結合岩石核磁共振（NMR）掃描結果，研究對升溫導致試樣氣體滲透率減小的機理做出了解釋：升溫增大了試樣的壓縮變形，降低了連通孔隙率；升溫加劇了氣體分子的滑脫效應，增大了氣流通過孔隙通道的阻力；孔隙水受熱膨脹改變了其在試樣中的分布，進一步壓縮了連通孔隙的有效喉徑。該研究為高放廢物地質處置工程的設計、施工與安全管控提供了理論和技術支撐。

相關研究成果發表在Engineering Geology、《岩石力學與工程學報》、《岩土力學》上。