乏燃料处置福什马克(Forsmark)地下实验室热演化离散元模拟及离散裂隙网络长期响应研究

《Applied Sciences》：Discrete Element Modelling of Thermal Evolution of Forsmark Repository for Spent Nuclear Fuel Disposal and Long-Term Response of Discrete Fracture Network Jeoung Seok Yoon, Haimeng Shen, Arno Zang and Flavio Lanaro

　　

针对乏燃料深地质处置库的长期安全性评估，研究人员需明确衰变热诱发的热-力耦合(TM)过程及其对裂隙岩体的影响。其中，与处置孔相交的裂隙剪切滑移是低概率但高后果的安全场景，若剪切位移超过设计阈值将威胁乏燃料罐完整性。本研究采用三维离散元方法，对瑞典福什马克(Forsmark)处置库围岩的热演化及离散裂隙网络(DFN)长期响应进行模拟。模型显式构建了处置盘区、确定性变形带及随机生成的裂隙网络，并将其嵌入代表岩石的胶结颗粒集合体中，用于Particle Flow Code(PFC)数值计算。研究人员基于物理衰变功率函数实现了乏燃料罐的时间依赖性产热，并考虑了处置孔与巷道间距的盘区级热加载方案。研究对比了两种处置情景：(a)全盘区同步加热情景（保守包络情景）；(b)序贯盘区加热情景（代表分阶段处置与封闭）。模拟结果表明，温度与热致应力演化对处置与封闭序列高度敏感。序贯加热相比同步加热产生更平缓的热积聚与更低峰值温度，表明围岩的热与应力扰动不仅受设计影响，也受运营策略调控。热致裂隙剪切位移呈现系统性时间响应：位于处置盘区投影范围内的裂隙在早期闭库后迅速发育剪切位移，约200年时达到峰值，随后随温度下降逐渐松弛；平均峰值剪切位移量级为2–3 mm，盘区外裂隙早期位移更小且长期响应更持久。即使在保守的全盘区同步加热情景下，所有模拟剪切位移仍比福什马克约50 mm的罐体损伤阈值低一个量级以上，表明热致裂隙剪切不太可能直接造成罐体机械损伤。同时，加热后残余剪切位移的持续性意味着裂隙发生永久性扩容，可能影响长期水力特性，并间接作用于地下水流动与罐体腐蚀等过程。本建模框架与结果独立于瑞典安全案例开展，为结晶岩处置库中热致裂隙变形的评价提供了力学机制基础，并界定了福什马克乏燃料处置长期安全性评估中热-力耦合过程的作用边界。

论文解读：《乏燃料处置福什马克(Forsmark)地下实验室热演化离散元模拟及离散裂隙网络长期响应研究》

研究背景与意义

乏燃料深地质处置是核工业可持续发展的关键环节，其核心在于确保处置库在万年级尺度上的安全隔离。瑞典福什马克(Forsmark)场址作为瑞典核燃料与废物管理公司(SKB)选定的处置场，采用KBS-3垂直处置概念，将乏燃料罐埋置于约460 m深度的结晶岩中。处置库运行期间，乏燃料衰变热将持续数千年，诱发围岩产生显著的热-力耦合(TM)响应，包括温度升高、岩石膨胀、应力重分布及裂隙剪切滑移。其中，与处置孔相交的裂隙剪切滑移是低概率但高后果的安全场景——若剪切位移超过约50 mm的设计阈值，可能导致乏燃料罐破损并引发放射性核素释放。现有连续介质模型难以显式刻画裂隙网络的不连续变形与滑移局部化特征，而离散元法(DEM)因能自然模拟裂隙控制的岩体行为，成为研究此类问题的有力工具。本研究通过独立的三维离散元模拟，旨在量化福什马克处置库的热演化规律与裂隙剪切位移，为长期安全性评估提供力学机制支撑。

关键技术方法

研究人员采用自适应连续-非连续(AC/DC)方法构建三维福什马克处置库模型，平衡计算效率与区域分辨率。模型基于SKB的集成地质模型，显式嵌入确定性变形带与随机生成的离散裂隙网络(DFN)，其中裂隙采用平滑节理接触(smooth joint contact)表征，通过校准获得符合现场特征的力学参数。热-力耦合模拟基于Particle Flow Code(PFC3D)实现，热学参数直接取自现场测试，未经过校准。衰变热采用物理基的功率衰减函数描述，并通过盘区级平面热源假设将离散罐体产热转化为面热通量，考虑处置孔(6 m)与巷道(40 m)的间距。研究设置两种对比情景：全盘区同步加热（保守包络情景）与盘区间序贯加热（分阶段处置情景），模拟时间跨度覆盖处置库闭库后数千年。

研究结果

3. 3D Forsmark Repository Model

模型成功构建了包含421,616个颗粒的6600 m × 6000 m × 2400 m尺度地质体，显式表征了布局控制性变形带与统计特征符合现场的离散裂隙网络(DFN)。裂隙采用平滑节理接触模拟，其分段式结构能更真实地反映天然裂隙的剪切行为，区别于传统平面不连续面的理想化假设。

4. Simulation of Heat Loading

热加载验证表明，全盘区同步加热情景下，50年与200年的围岩温升分别为24–28 °C与20–24 °C，与SKB已发表的安全评估结果一致，验证了热加载方案的可靠性。衰变热功率曲线采用包含7项指数项的经验公式描述，初始单罐功率取1700 W。

5. Modelling of the Repository Heating Scenario

5.1. Temperature Evolution

同步加热情景下，温度场在早期集中于处置盘区，随时间向外扩散形成场区级热晕；序贯加热则使热积聚更平缓，峰值温度降低约2–4 °C。监测点数据显示，同步加热时盘区中心温度在约100年达到峰值，而序贯加热下后续激活盘区的峰值温度出现时间延迟，但整体温升幅度相近。

5.2. Fracture Shear Displacements

裂隙剪切位移呈现显著的空间与时间异质性：盘区内裂隙在早期（闭库后50–200年）快速发育剪切位移，平均峰值达2–3 mm，随后随热应力松弛逐渐回落并残留约0.5 mm的永久变形；盘区外裂隙因热扩散滞后，位移增长缓慢且持续至千年尺度，变异系数更高。序贯加热使盘区内裂隙峰值位移降低约10%–15%，盘区外裂隙位移的离散程度也明显减小，表明分阶段处置可有效缓解热致应力集中。

讨论与结论

研究证实，处置库的热-力耦合(TM)响应不仅取决于衰变热强度，还受热源时空叠加效应的显著影响。全盘区同步加热作为保守包络情景，其预测的裂隙剪切位移仍远低于50 mm的罐体损伤阈值，支持“热致裂隙滑移不会直接威胁罐体完整性”的核心结论。残余剪切位移导致的裂隙永久扩容，可能通过立方定律显著提升裂隙导水性，尤其对初始开度较小的闭合裂隙，但其实际水力效应会被粗糙节理的磨蚀充填、法向应力重分布及膨润土吸水膨胀所抵消。研究未考虑开挖损伤带(EDZ)演化与新裂隙扩展，未来需结合完全耦合的热-水-力(THM)过程进一步约束长期水力连通性的上限。

本研究的创新在于首次通过独立的三维离散元模拟，量化了福什马克处置库盘区级的热-力响应，明确了运营策略对热扰动的调控潜力，为结晶岩场址的长期安全性评估提供了重要的机制性证据。相关成果发表于《Applied Sciences》，为深部地质处置库的设计优化与安全评价提供了新的视角。