臺灣博碩士論文加值系統

緩衝材料在深層處置概念中，為放射性廢料桶與天然母岩間之緩衝介質；主要用途是包覆封存放射性廢料之廢料桶，並維持工程障壁系統之功能。一般來說緩衝材料需具備有良好熱傳導性質，以將放射性核種衰變過程中釋放之熱能快速傳遞至周圍母岩，而非將熱能積聚在廢料桶內，造成廢料桶毀損使核種釋出；目前各國對緩衝材料之選擇，依據其資源條件而有所不同，但研究結果發現，膨潤土與砂－膨潤土混合材料，具良好力學特性與熱學性質，故常被用來作為緩衝材料候選材料。
本研究旨在探討緩衝材料之熱傳導性質，藉由改良暫態熱探針法，發展出熱探針連續量測方法，消除ASTM規範D5334建議方法之熱探針與試體顆粒間接觸界面不均勻，以及劉俊志（2003）提出埋入式量測法試料需求量大且各試體間具變異性問題。連續量測方法將熱探針預先置入土體中，並在壓製膨潤土所用模具中預留通道，使導線可由通道延伸而出，藉由控制壓實膨潤土體之壓桿高度以達需求乾單位重。本試驗針對乾單位重在14kN/m3至18kN/m3間之夯實膨潤土－花崗岩碎石試體進行熱傳導係數之量測；由於利用同一試體進行不同乾單位重、含水量及花崗岩碎石含量下的連續量測，所以能消除材料間之變異性。試驗數據處理方面，利用等含水量法及等密度法成分體積比之概念，將試驗數據與SCS、DS及De Vries and Campbell model等熱傳導係數預測模式所得值比較，並提出Modified De Vries and Campbell model結合微觀力學模式預測方法，以評估各預測模式適用性。

Buffer materials are filled between radioactive wastes canisters and host rock vault. The main purpose is to enclose the canisters and to exhibit the performance of engineering barrier system. In general, buffer material should have well thermal conductivity to ensure the decay heat transported to the host rock instead of stock up in canisters result in erosion or corruption of it. Among the candidates of buffer materials in many other researches, we can found that mixture of bentonite and crushed granite has good mechanical properties and thermal characteristics.
The study aims to investigate the thermal properties of buffer materials. An improved continuous heat probe method for thermal conductivity measurement is proposed. It avoided the surface contact problems inhibited in ASTM D5334 method and the individual differences of measurement from different specimens. In this new method, the probe is put in the center of the specimen with the signal cord laying out undergoing the compaction process. The dry density of the specimen is controlled by the piston of the mold in the dry density range of 14kN/m3 to 18kN/m3, and the thermal conductivity of different density can be measured. With concept of micromechanics applied, the results are analyzed to find the prediction model of the relationship between thermal conductivity and the properties including water content , dry density of clay, and the fraction of granite. It shows that the affection of water content on thermal conductivity could not be analyzed with micromechanics models, and should be predicted with regression. Buffer material is divided into two phases, one is bentonite with water content, the other is granite fraction. The prediction model for thermal conductivity in granite with bentonite is predicted by modified De Vries and Campbell model, then micromechanics model is applied to find the final prediction of the mixture of the two phases.

目 錄

內容 頁次
中文摘要I
英文摘要II
誌謝III
目錄V
圖目錄XI
表目錄XVI

第一章 緒 論1
1.1 研究動機1
1.2 研究方法2
1.3 論文架構2

第二章 文獻回顧3
2.1 高放射性廢料處置場與緩衝材料篩選3
2.2 試體壓實方法4
2.3 大地材料基本熱學理論5
2.4 熱傳導係數與量測方法6
2.4.1 熱傳導係數定義6
2.4.2 暫態熱傳導係數量測方法7
2.4.2.1 熱探針法7
2.4.2.2 雷射反射法10
2.4.3穩態熱傳導係數量測方法10
2.4.3.1 熱流計法11
2.4.3.2分割棒法11
2.5 複合材料熱傳導係數預測模式12
2.5.1 N相材料之串聯與並聯12
2.5.2 Self-Consistent預測模式13
2.5.3 微分模式(Differential Scheme)13
2.5.4 De Vries and Campbell模式14
2.5.5 等含水量法與等密度法概念16
2.5.5.1 等含水量法16
2.5.5.2 等密度法17
2.6 熱傳導係數量測相關研究18
2.6.1 美國材料測試協會對暫態熱傳導係數量測法規範18
2.6.1.1 試驗概述18
2.6.1.2 試驗儀器18
2.6.1.3 結果應用19
2.6.2 埋入式量測方法19
2.6.2.1 試驗概述19
2.6.2.2 試驗數據-20
2.6.2.2.1 純膨潤土熱傳導係數20
2.6.2.2.2 膨潤土混合花崗岩碎石熱傳導係數23
2.7 熱傳導係數相關量測值24

第三章 暫態熱傳導係數連續量測方法27
3.1 暫態連續量測方法27
3.1.1 發展源由27
3.1.2 連續量測原理28
3.2 量測元件與改良模具28
3.2.1 熱探棒28
3.2.2 壓置方形柱試體改良模具30
3.3 試體製作方式33
3.3.1 決定試驗乾單位重範圍33
3.3.2 試料計算33
3.3.3 壓置高度計算36
3.4 暫態熱傳導係數連續量測流程37
3.4.1 壓製與靜置時間37
3.4.2 加溫與降溫時間探討37
3.4.2.1 加溫時間38
3.4.2.2 決定降溫時間38
3.4.2.2.1 試驗目的39
3.4.2.2.2 試驗材料39
3.4.2.2.3 試驗方法39
3.4.2.2.4 結果討論39
3.4.3 暫態連續量測步驟42
3.4.4 靜置與降溫時間討論42
3.5 連續量測法之優點43

第四章 試驗材料、儀器設備與研究方法44
4.1 試驗材料44
4.1.1膨潤土44
4.1.2花崗岩45
4.2 試驗儀器46
4.2.1 電動碎石機46
4.2.2 壓力試驗機46
4.2.3 資料擷取系統48
4.2.4 電源供應器49
4.3 材料準備50
4.3.1 不同含水量膨潤土控制方法50
4.3.2 花崗岩碎石準備方法52
4.4 熱傳導係數量測步驟53
4.4.1 品質控制53
4.4.2 試驗步驟53

第五章 研究結果與分析59
5.1 壓實應力59
5.1.1 乾單位重與壓實應力關係59
5.1.2 含水量與壓實應力關係60
5.1.3 顆粒加強材料與壓實應力關係60
5.2 純膨潤土熱傳導係數61
5.2.1 乾單位重之影響61
5.2.1.1 熱傳導係數與乾單位重關係61
5.2.1.2 熱傳導係數與孔隙率關係62
5.2.2 含水量之影響63
5.2.2.1 熱傳導係數與含水量關係64
5.2.2.2 熱傳導係數與飽和度關係64
5.2.3 分析與比較65
5.3 純膨潤土熱傳導係數試驗與預測值比較66
5.3.1 等含水量法66
5.3.1.1 等含水量法應用於N相材料之串聯與並聯71
5.3.1.2 等含水量法應用於SCS分析預測模式分析72
5.3.1.3 等含水量法應用於DS分析預測模式分析72
5.3.2 等密度法72
5.3.2.1 等密度法應用於N相材料之串聯與並聯預測模式分76
5.3.2.2 等密度法應用於SCS預測模式分析76
5.2.2.3 等密度法應用於DS預測模式分析76
5.3.3 等含水量法與等密度法差異比較76
5.3.4 De Vries and Campbell模式分析77
5.3.4.1 原始De Vries and Campbell模式77
5.3.4.2 Modified De Vries and Campbell模式78
5.4 膨潤土混合花崗岩碎石熱傳導係數85
5.5膨潤土混合花崗岩碎石熱傳導係數試驗與預測值比較89
5.5.1 複合土體預測模式89
5.5.2 模式預測結果89
5.5.2.1 N相材料串聯與並聯89
5.5.2.2 Self-Consistent Scheme90
5.5.2.3 微分模式91
5.6 Modified De Vries and Campbell方法結合微觀力學模式109
5.6.1 Modified De Vries and Campbell方法結合微觀力學模式預測109
5.6.2 預測結果分析110

第六章 結論與建議115
6.1 結論115
6.2 建議116

參考文獻117

參考文獻

1.田永銘，「大地材料之吸水回脹行為」，博士論文，國立成功大學土木工程研究所，台南（1992）。
2.田永銘，「放射性廢料處置緩衝材料回脹及熱傳導特性研究（I）」，行政院原子能委員會委託研究計畫研究報告，912001INER006，台北（2001）。
3.田永銘，「放射性廢料處置緩衝材料回脹及熱傳導特性研究（II）」，行政院原子能委員會委託研究計畫研究報告，912001INER020，台北（2002）。
4.田永銘、朱正安、張大猷，「緩衝材料熱傳導係數之量測與預測模式」，2004岩盤工程研討會論文集，台北（2004）。（審查中）
5.莊文壽、洪錦雄、董家寶，「深層地質處置技術之研究」，核研季刊，第三十七期，第44-54頁（2000）
6.黃偉慶，「放射性廢料處置場緩衝及回填材料物理性質研究」，行政院原子能委員會委託研究計畫研究報告，No.892001INER009，台北（2000）。
7.譚建國、顏崇斌，「以微分模式探求纖維加強複合材料之熱彈係數」，中國工程學刊，第五卷，第三期，第121-131頁（1982）。
8.簡城宗，「複合土體熱傳導性質之初步研究」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢（1996）。
9.劉俊志，「膨潤土與花崗岩碎石混合材料之熱傳導係數」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢（2003）。
10.Agilent Technologies, Inc., ”Agilent 344970A data acquisition/switch unit,”3rd Ed., U.S.A. (1999).
11.ASTM,“ASTM D5334 : Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure,” Annual Book of ASTM Standards, Vol.0409, (2000).
12.Börgesson, L., Fredrikson, A., and Johannesson, L., “Heat conductivity of buffer materials,”SKB Technical Report, Lund, Sweden (1994).
13.Campbell, G. S., Soil Physics with BASIC Transport Models for Soil-Plant Systems, Elsevier, New York (1985).
14.Chapman, N.A., McKinley, I.G., and Hill, M.D., The Geological Disposal of Nuclear Waste, John Wiley & Sons, Great Britain, pp. 49-95 (1987).
15.Farouki, O.T., Thermal Properties of Soils, Series on Rock and Soil Mechanics, Vol.11, Trans Tech Publications, Germany (1986).
16.Incropera, F.P.,DeWitt, D.P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th Ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, pp. 44-55 (1996).
17.JNC, “H12 Project to Establish Technical Basis for HLW Disposal in Japan Supporting Report 2 : Repository Design and Engineering Technology,”JNC Report, Japan, pp.63-70 (1999).
18.Karnland, O., Eriksen, T.E., Pedersen, K., and Rosborg, b.,“Long term test of buffer material,” SKB Report, Stockholm, Sweden (2000).
19.Mclaughlin., R., “A study of the differential scheme for composite materials,” J. Eng Sci., pp.237-244(1977).
20.Ould-Lahoucine, C., Sakashita, H., and Kumada, T., “Measurement of thermal conductivity of buffer materials and evaluation of existing correlations predicting it,” Nuclear Engineering and Design, Elsevier, pp.1-11(2002).
21.Robert, F. Speyer , Thermal Analysis of Materials , Marcel Dekker , New York ,pp.227-249(1993).
22.Tien, Y. M., Wu, P. L., Chuang, W. S., Wu, L. H., “Micromechanical Model for Compaction Characteristics of Bentonite-Sand Mixtures,” Clays in Natural and Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement, Reims, France (2002).
23.Touloukian, Y. S., Powell, R. W., Ho, C. Y., and Klemens, P. G., Thermal Conductivity of Nonmetallic Solids, Plenum Publish Corporation, Washington(1970).