花岗岩热机械耦合对高放废物储存库中工程屏障系统（EBS）长期完整性的影响

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Impact of Granite Thermo-Mechanical Coupling on the Long-Term Integrity of Engineered Barriers System (EBS) in HLW Repositories

深地质处置库主岩长期完整性评估中，传统热力耦合模型难以直接量化岩石屏障功能。本研究提出多维度Rock Integrity Coefficient（RIC）系统，通过热力学-力学耦合损伤本构模型和正交实验设计，揭示花岗岩在百年周期内温度与损伤的累积效应，发现10年和40年为关键转折期，并证明200℃以下仍存在显著累积损伤。该系统为核废料安全封存提供了集成化、时变的评估工具。

　　

摘要

准确评估围岩完整性的长期演变对于深地质储库中高放射性废物（HLW）的安全评估至关重要。尽管当前模型能够有效模拟热-水-力（THM）耦合过程，但在将这些复杂的物理场模拟转化为对岩石屏障功能的直接、定量评估方面仍存在显著差距。本研究开发并展示了一种新的多维岩石完整性系数（RIC）系统，以弥补这一差距。该系统采用热-力耦合的弹塑性损伤本构模型，并结合了莫尔-库仑准则，应用于有限元框架中。模型用于研究中国北山潜在储库地点的花岗岩围岩。基于L9正交阵列进行了一系列数值模拟，考虑了处置隧道间距和深度的变化。我们的方法核心是RIC系统，它整合了四个完整性维度——热性能（峰值温度<100°C）、力学性能（应力集中系数<1.5）、结构性能（损伤变量<0.3）和界面性能（热屏障温差ΔT<60°C）——以提供全面的屏障性能指标。经过100年的跟踪分析，结果显示在热负荷衰减的情况下，围岩完整性参数逐渐退化，并在10年和40年时出现明显拐点。分析表明，即使温度低于200°C，也可能导致显著的累积损伤，从而可能影响岩石长期的低渗透性。本研究的主要创新在于RIC框架本身，它超越了传统的THM分析方法，提供了一个集成的、随时间变化的屏障评估工具。所建立的完整性指标系统为环境风险评估提供了更科学的方法，并为优化HLW储库密封系统的设计提供了关键见解，最终有助于实现安全封存放射性核素的长期目标。