以序率热孔弹性模式进行缓冲材料之热水力耦合行为分析Using.PDF

以序率熱孔彈性模式進行緩衝材料之熱水力耦合行為分析 Using Stochastic Porothermoelastic Theory to Investigate the Coupled THM Behavior in Buffer Material 1 2 王士榮 徐國錦 1 2 財團法人中興工程顧問社南部辦公室 副研究員 國立成功大學資源工程學系 教授 摘要 緩衝材料為用過核子燃料處置場隔絕核種外洩重要的障壁系統之一，受到廢 棄物罐熱源之影響 ，使緩衝材料處於熱水力耦合系統中，因此瞭解緩衝材料之熱 水力耦合行為，為用過核子燃 料處置場工程障壁系統重要一環。本研究針對緩衝 材料，建立一維度熱水力耦合孔彈性理論模式，以溫度、孔隙水壓變化與位移為 變數進行數值 分析，以參數之敏感度分析，瞭解不同參數變化對熱水力耦合行為 之影響。研究結果顯示，楊氏模數與水力傳導係數影響形態相近，熱傳導係數因 影響熱傳行為，因此對熱水力系統影響較顯著 。之後進行蒙地卡羅序率模擬，評 估 參數不確定性對變數之影響 。研究結果顯示，位移場 與水壓場不確定性於空間 中分布型態不同，水壓場不確定性較高處靠近兩端邊界而位移場在中央位置，顯 示在熱水力耦合狀態下，水壓與位移受擾動之型態不同。本研究建立之序率熱孔 彈性模式，可解釋熱源傳遞對 緩衝材料變形與孔隙水壓變化之交互作用行為 ，並 可瞭解高不確定性之發生區位，有助於瞭解緩衝材料受熱水力作用下之耦合行為， 提供緩衝材料設計之參考 。 關鍵字 ：熱孔彈性模式、熱水力系統、耦合行為、敏感度分析、序率分析。 一、前言 用過核子燃料處置場受到廢棄物罐放熱與地溫梯度之作用，使得原本處於平 衡之岩體受到熱源之影響而引起孔隙水壓與大地應力之變化，處置場周圍岩體受 到擾動而將漸漸趨近於另一個新的平衡狀態。然而，此擾動可能引起處置場周圍 岩體中之地下水產生新的驅動力而造成顯著之流動行為，可能使廢棄物罐中之放 射性核種藉由地下水流動而帶出工程障壁系統。因此，用過核子燃料處置場之熱 水力耦合作用分析為核能安全之其中一個重要研究項目，於多個使用核能國家進 行許多研究與討論(Palciauskas and Domenico, 1982; Booker and Savvidou, 1984, 1985; Smith and Booker, 1996) 。本研究建立一維度熱水力耦合孔彈性理論模式， 分析廢棄物罐引起之熱源對 工程障壁系統中之緩衝材料孔隙水壓與應力變化之 影響， 以溫度、孔隙水壓變化與位移為變數，探討用過核子燃料處置場近場範圍 之熱水力耦合行為變化，做為未來評估放射性核種洩漏之基礎。 二、結果 2.1 模式分析 本研究建立之熱水力耦合模式中，採用之熱傳特性為獨立變數，即假設水力 與力學特性對熱傳特性不造成影響，因此可先求解熱傳控制方程式，再將解得之 溫度場代入熱水力耦合模式中，以評估熱水力耦合行為。近場緩衝材料模式中， 於左邊界固定熱源 75 ℃且右邊界固定40 ℃，進行熱傳數值模擬，結果如圖 1 所示。由於緩衝材料之厚度僅 0.35 m ，因此熱傳在短時間內已經達到熱平衡。 75 T = 1 hour 70 T = 5 hours 65 T = 10 hours ) C o T = 30 hours