高温(>100°C)条件下压实膨润土膨胀压力的实验研究及其在核废料处置中的意义

为解决深地质处置库中高放核废料密封材料在高温(>100°C)条件下的性能评估问题，韩国研究人员通过自主研发温控装置，系统研究了压实Na-膨润土在10–160°C范围内的膨胀压力(Ps)。研究发现Ps与温度呈线性正相关，且干密度(1.20–1.50 Mg/m3)和孔隙液浓度(0–0.5 M NaCl)显著影响该效应，揭示了层间-颗粒间膨胀压力的竞争机制，为高温地质处置库设计提供了关键参数。

　　

核能利用产生的放射性废物处置是关乎人类可持续发展的重大课题。目前，国际通行的解决方案是将高放废物(HLW)封存于地下500–1000米的深地质处置库中，利用多重屏障系统实现长期隔离。其中，压实膨润土因其极低的渗透性和独特的膨胀自愈特性，成为工程屏障的核心材料。然而，核废料衰变产生的热量会使屏障材料温度持续升高，传统设计将最高温度限制在100°C以内。随着处置库设计理念的发展，瑞士(150°C)和韩国(130°C)等国家开始探索提高温度限值的可行性，这使得高温条件下膨润土膨胀压力(P_s)的演变规律成为亟待解决的科学难题。

韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表论文，通过创新性实验揭示了高温条件下膨润土膨胀行为的奥秘。研究人员设计专用高温高压腔室，测试了不同干密度(1.20/1.35/1.50 Mg/m3)和孔隙液浓度(去离子水/0.1 M/0.5 M NaCl)的Na-膨润土在10–160°C范围内的P_s变化，结合热-孔隙-化学多场耦合分析，建立了温度与P_s的定量关系模型。

关键技术包括：1) 可精确控温至160°C的高压反应腔设计；2) 消除设备热膨胀干扰的P_s测量方法；3) 中国建平矿源高纯度Na-膨润土(粒径<2 μm达96.2%)的标准化制备；4) 三因素(温度/密度/盐度)正交实验设计。

Bentonite材料特性
实验采用中国建平矿的商用Na-膨润土，液限325.6%、塑限54.6%，属高塑性黏土(USCS分类)。XRD显示其蒙脱石含量>60%，比表面积达652 m²/g，为典型的高膨胀性材料。

温度对膨胀压力的影响
在去离子水饱和条件下，所有试样的P_s均随温度升高而增加。1.50 Mg/m3高密度试样在160°C时P_s达25°C基准值的1.32倍，呈现显著的温度强化效应。归一化P_s(P_s,T/P_s,25°C)与温度呈线性关系(R²>0.98)，证实可通过低温数据外推预测>100°C工况。

干密度与盐度的调控作用
高密度(1.50 Mg/m3)试样的温度敏感性是低密度(1.20 Mg/m3)的2.1倍；0.5 M NaCl溶液使P_s增幅降低57%，表明电解质会抑制温度效应。三者交互作用揭示：温度升高时，高密度/低盐度条件下层间膨胀占主导，而低密度/高盐度时颗粒间膨胀更显著。

讨论与机理解释
研究突破了传统<100°C温度限制的认知边界，首次证实：1) 高温段(>100°C)仍保持P_s-温度线性关系；2) 温度效应源于层间水化压力(thermal hydration pressure)与双电层斥力的协同增强；3) 盐度通过压缩双电层削弱温度敏感性。这些发现合理解释了既往研究中关于温度效应争议的根源——不同实验条件下层间与颗粒间膨胀的竞争机制存在差异。

该研究为高温深地质处置库设计提供了三项关键科学依据：1) 验证了膨润土屏障在160°C高温下的可靠性；2) 建立了基于低温数据的P_s预测模型；3) 提出通过调控干密度(≥1.35 Mg/m3)和盐度(≤0.1 M)可优化屏障的热稳定性。这些成果不仅推动核废料处置技术进步，对地热开发、CO₂封存等高温地下工程同样具有重要参考价值。