福岛核电站核泄漏封控人工冻结屏障系统的性能评估：模型试验与数值模拟研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：A freezing barrier system for nuclear leakage containment: A case study at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station in Japan

　　

专业术语翻译 人工冻结法（artificial ground freezing, AGF）首次作为日本福岛核泄漏事故后的关键措施被大规模采用。然而，在沿海核污染地层中，冻土墙在其形成和长期运行过程中面临诸多挑战，其防渗性能极易失效。本研究通过模型试验和数值模拟，对福岛第一核电站复合地层中的冻结屏障系统进行了探究。研究人员开展了温度、渗流和核素迁移的多物理场监测，以揭示在不同渗流速度（0–14.4 m/d）下冻结屏障的形成机制。随后建立了一个水-热-核素迁移耦合模型，用于评估在地下水渗流和海水热扰动共同作用下的长期封控性能。结果表明，由于入流侧预冷地下水的影响，高渗透性地层出流侧的冻土墙冻结更快。在当前的热-水力条件下，识别出一个约7.2 m/d的过渡渗流速度，超过该速度后，若干代表性指标对渗流进一步增加的敏感性降低。冻结屏障系统在其长期服役期间经历了四个不同的特征阶段：初始屏障形成、活性核素迁移、稳定屏障维持和潜在退化。在200天后，应关注防渗能力的减弱以及核泄漏复发的风险。垂直封闭时间和等效系统渗透系数被推荐作为实际工程的关键评价指标。

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研究背景与科学问题

2011年福岛第一核电站事故后，高放射性污染物随地下水向海洋迁移，造成了严重的环境威胁。为此，东京电力公司联合鹿岛建设株式会社，首次在全球范围内将人工冻结法（artificial ground freezing, AGF）大规模应用于核应急响应，计划围绕机组建造一道总长约1.5公里、深达30米的地下冻土屏障墙。该设计采用了单排垂直冻结管（间距1米，制冷温度-30℃）的方案。

然而，这一冻结屏障系统位于沿海复合地层中，其服役环境极为复杂。一方面，地下水渗流产生的热对流会持续带走冻结锋面的冷量，阻碍冻土帷幕的形成与闭合；另一方面，屏障系统还需承受海水潮汐引起的周期性热扰动。更为严峻的是，现场地层由粉砂、淤泥质黏土等多种介质交替构成，不同土层的渗透性和冰晶生长特性差异显著。在实际运行五年后，该系统已出现局部融化和泄漏现象，某些区域温度甚至回升至10℃。因此，迫切需要深入研究这种核电站尺度冻结屏障系统在多场耦合条件下的时空演化规律及其长期封控性能，为类似工程的失效预防与控制提供科学依据。

主要技术方法

研究人员以福岛第一核电站为工程背景，首先开展了室内模型试验。模型箱几何缩尺比为1:100，内部填筑了五层模拟地层（含三个主要渗流层），并在上下游分别布置了两排不锈钢冻结管。试验设置了五个渗流速度工况（0、3.6、7.2、10.8、14.4 m/d），通过集成温度采集仪、孔隙水压力传感器和流量计等设备，实现了对温度、渗流和核素浓度等多物理场的实时监测。在此基础上，利用COMSOL软件建立了考虑相变的水-热-核素迁移全耦合二维数值模型，并通过模型试验数据进行了验证。最后，将模型放大100倍并引入海水边界条件，构建了扩展模型以预测长期服役行为。

研究结果

3.1 温度场变化

3.1.1 冻土帷幕监测区温度场变化：冷却速率随距冻结管距离增大而逐渐降低。上游侧最远测点B1的初始冻结时间随渗流速度增加而显著延长，从无渗流时的2.24小时增至14.4 m/d条件下的超过7.5小时。

3.1.2 不同地层的温度变化分析：在高渗透性的砂土层（地层III）中，出现了一个反常现象——出流侧（B6点）比入流侧（B1点）冻结更快。这是因为渗流将入流侧冻结管的预冷水携带至出流侧，降低了该区域的初始热负荷，从而加速了冻土形成。而在低渗透性的淤泥质黏土层（地层II）中，两侧冻结时间均随渗流速度增加而延长。

3.1.3 冻土帷幕温度场分布与演变：无渗流时各层温度场较均匀；引入渗流后，低温区向下游偏移。值得注意的是，虽然地层II在各渗流速度下冻土帷幕厚度最薄，但由于地层III的初始渗透性最高，它仍然是整个系统中风险最大的危险地层。

3.2 孔隙水压力差与流速变化

入流侧冻土墙的孔隙水压力差呈现两阶段增长模式，在1-2小时出现拐点，标志着有效连续屏障幕的形成。而出流侧冻土墙的压力差则先快速上升达到峰值，随后急剧下降并转为负值，表明下游区域因屏障形成而与原始渗流系统脱耦。出口流速监测显示，随着初始渗流速度从3.6 m/d增加到14.4 m/d，流速平衡时间从3.03小时延长至5.08小时，而流速损失率则从34.3%降至17.6%，反映出冻土帷幕的密封效果逐渐减弱。

3.3 冻土帷幕渗透系数变化

研究人员引入等效渗透系数（K_eq）来表征屏障系统的整体水力阻隔效果。K_eq在冻结初期快速下降，约1小时后趋于稳定，但在3小时后出现了不同程度的回弹现象，这与出流侧冻土帷幕的阻隔效应有关。

3.4 不同渗流速度下多物理场评价指标的变化

综合分析了初始冻结时间、流速损失率、阻塞渗透系数和冻土帷幕厚度等评价指标后发现：当渗流速度达到约7.2 m/d时，多个代表性指标对渗流进一步增加的敏感性降低，这被解释为该工况下的过渡渗流速度。垂直封闭时间和等效系统渗透系数被推荐作为实际工程的首选综合评价指标。

结论与意义

通过扩展模型的长期预测，研究人员揭示了冻结屏障系统在长期服役中经历的四个特征阶段：初始屏障形成、活性核素迁移、稳定屏障维持和潜在退化。研究发现，在运行200天后，需特别关注防渗能力的衰减和核泄漏复发的风险。这项工作为理解福岛核电站冻结屏障系统的失效机理提供了重要的理论依据，并为同类沿海核污染场地的人工冻结工程设计优化和技术应用提供了科学支撑。论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。