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研究生： 謝馨輝
HSIN-HUI SHIEH
論文名稱： 核廢料地下處置之熱傳導及初步熱應變分析
指導教授： 張瑞宏
JUI-HUNG CHANG
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 136
中文關鍵詞： 熱傳導 、核廢料 、地下處置 、處置場設計 、緩衝材料 、衰變熱 、用過核燃料 、熱應變
外文關鍵詞： buffer material, decay heat, spent fuel, deposition design
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    • 核廢料的處理，一直是各核能國家關切的問題。一般認為，核
    廢料以深層地質處置(deep geological disposal)為較可行的方法。
    本研究採用有限元素法，針對核廢料處置場的溫度與變形分佈
    進行分析，根據處置孔之不同間距尺寸進行討論。為了模擬更真實
    的處置場情形，本研究考慮了兩組參數，包括緩衝材料分層及熱間
    隙。本研究首先針對此二變因進行參數分析，觀察此二參數對分析
    結果之影響。此外，在邊界尺寸的分析方面，針對各貯存槽間之不
    同間距進行分析，除瞭解尺寸變化對於處置場溫度之影響外，並從
    其中選擇適合之間距尺寸，以供處置場設計參考。
    熱應力分析方面採用依序耦合熱應力分析(Sequentially coupled
    thermal-stress analysis），根據分析結果可知處置場之位移主要為垂直
    位移，而垂直位移之方向與處置場深度平行。處置場在熱源附近之
    應力場變化較大且複雜，處置場未完全封閉前於隧道及處置孔處以
    空氣模擬，則可能在處置孔及隧道周圍產生較大的應力變化，且在
    剪應力較大的區域發生塑性區；將之處置場完全封閉後，以緩衝材
    及回填材填滿，則產生之剪應力較小，相對地進入塑性的機會也較
    小。

    Decay heat generated by the decay of radionuclide in spent nuclear
    fuels is an important factor that could cause the undesirable environment-
    al effects. Most People make choice of deep geologic disposal as the best
    method to achieve the isolation and retardation of nuclide migrating by
    multiple barriers (made up of waste package, buffer material, backfill
    material and host rock).
    Based upon the concept of deep geological disposal proposed by
    Swedish research groups (SKB), this research is aimed to study of the
    thermal and mechanical properties of the bentonite material and backfill
    material. The three-dimensional finite element program ABAQUS was
    used to perform numerical simulation of the behavior of rock mass. The
    numerical results show the space influence of deposition hole inside the
    multiple deposition holes environment. The cross-section of repository
    (short direction (6m) ×long direction (40m)) is considered as a standard
    size. In this study, we consider that the buffer material was delaminated
    into three parts, and the gap is inside the repository (SKB, 1999).
    According to the results, the variation in the repository temperature
    caused by altering short direction is more significant than those caused by
    altering long direction. Also the vertical displacement is larger than the
    horizontal displacement. The plastic zone occurs in the near field of the
    tunnel and the deposition hole, where reinforcement should be ensure to
    keep the deep repository in safety.

    第一章緒論.............................................................................................1 1.1 前言...................................................................................................1 1.2 研究動機與目的...............................................................................2 1.3 研究主題與方法...............................................................................4 1.4 論文內容...........................................................................................5 第二章相關文獻介紹及分析方法..........................................................11 2.1 高放射性廢棄物的處理方式.........................................................11 2.3 工程障壁之相關研究.....................................................................14 2.4 現階段我國處置場設施配置概念.................................................18 2.5 處置場的熱傳分析.........................................................................19 2.6 核廢料處置場熱傳導相關參數.....................................................20 2.7 處置場分析相關文獻.....................................................................21 第三章熱傳分析理論與數值模擬方法及驗證....................................28 3.1 前言.................................................................................................28 3.2 熱力學分析理論.............................................................................28 3.2.1 熱傳導.......................................................................................28 3.2.2 熱對流.......................................................................................31 3.3 數值分析理論.................................................................................32 3.3.1 有限元素法...............................................................................32 3.3.2 代表體積單元...........................................................................35 3.4 分析工具.........................................................................................37 3.5 KBS-3 文獻之驗證.........................................................................39 3.5.1 KBS-3 文獻之幾何與材料特性...........................................39 3.5.2 KBS-3 模型網格及時間步長之收斂......................................40 3.5.2.1 網格收斂............................................................................40 3.5.2.2 時間步長之決定...............................................................41 3.5.3 KBS-3 模型之數值驗證.......................................................41 第四章熱傳分析結果與討論..............................................................56 4.1 前言.................................................................................................56 4.2 模型幾合及材料熱傳導性質隨溫度改變之影響.........................58 4.2.1 模型幾何...................................................................................58 4.2.2 材料非線性的討論...................................................................58 4.3.網格收斂以及選擇時間步長.........................................................59 4.3.1 網格收斂...................................................................................59 4.3.2 時間步長之決定.......................................................................60 4.4 單處置孔分析................................................................................61 4.4.1 單處置孔無限域之邊界模擬.................................................61 4.4.2 考慮緩衝材分三層之單處置孔分析......................................62 4.4.3 考慮熱間隙之單處置孔分析..................................................63 4.4.4 單處置孔分析之討論...............................................................63 4.5 多處置孔分析................................................................................56 4.5.1 間距尺寸效應分析..................................................................64 4.5.2 長向分析...................................................................................65 4.5.2.1 考慮緩衝材分三層之長向分析........................................65 4.5.2.2 多處置考慮熱間隙之長向分析........................................66 4.5.2.3 長向分析討論....................................................................66 4.6 短向分析.........................................................................................67 4.6.1 考慮緩衝材分三層之短向分析..............................................67 4.6.2 考慮熱間隙之短向分析...........................................................68 4.6.3 短向分析之討論.......................................................................68 4.6.4 多處置孔分析討論..................................................................68 4.7 邊界角隅處分析.............................................................................69 4.7.1 緩衝材分三層之邊界角隅處分析..........................................69 4.7.2 考慮熱間隙之邊界角隅處分析..............................................70 4.7.3 邊界角隅處分析之討論...........................................................70 4.8 改變原型緩衝材熱傳係數之比較.........................................70 第五章熱應力分析模式介紹及結果討論............................................99 5.1 前言.................................................................................................99 5.2 熱應力分析模式............................................................................99 5.2.1 分析方法...................................................................................99 5.2.2 材料組成模式........................................................................100 5.3 熱應力分析結果討論..................................................................103 5.3.1 應力分析.................................................................................104 5.3.1.1 主水平應力(major horizontal stress)討論......................104 5.3.1.2 副水平應力(subhorizontal stress)討論...........................105 5.3.1.3 垂直應力(vertical stress)討論.........................................105 5.3.1.4 最大主應力(max. principle stress)討論.........................106 5.3.2 位移分析.................................................................................106 5.3.3 塑性區分佈.............................................................................107 5.3.4 KBS-3 之修正分析.............................................................107 第六章結論與建議............................................................................118 6.1 溫度場之分析與討論...................................................................118 6.2 應力場之分析與討論...................................................................119 6.3 建議...............................................................................................119 表目錄 表3-1 常見流體之對流熱傳係數(陳朝旭，2002) ................................43 表3-2 完整模型及及四分之ㄧ模型運算比較.....................................43 表3-3 KBS-3 模型之材料性質(資料來源SKB-3，1999)..................43 表3-4 KBS-3 模型網格收斂之比較...................................................44 表3-5 KBS-3 模型-時間步長之分析...................................................44 表3-6 SKB-3 模型時間步長之比較.................................................... 45 表4-1 原型之各材料性質.....................................................................72 表4-2 廢料罐之熱傳導係數隨溫度而改變.........................................72 表4-3 材料線性及材料非線性分析結果之比較.................................73 表4-4 原型模型網格收斂之比較.........................................................74 表4-5 原型模型網格收斂之比較.........................................................74 表4-6 三種尺寸模擬無限邊界之比較.................................................75 表4-7 考慮緩衝材分三層之單處置孔分析.........................................75 表4-8 考慮內外熱間隙之單處置孔分析.............................................75 表4-9 原型...............................................................................................76 表4-10 緩衝材分三層...........................................................................77 表4-11 考慮熱間隙...............................................................................78 表4-12 原型.............................................................................................79 表4-13 考慮緩衝材分三層.....................................................................80 表4-14 考慮內外熱間隙.......................................................................81 表4-15 長向分析與短向分析溫度變化之比較...................................82 表4-16 考慮三種緩衝材之邊界角隅處分析.........................................82 表4-17 考慮內外熱間隙之邊界角隅處分析...................................... 82 表4-18 緩衝材熱傳導係數0.9 之長向分析........................................83 表4-19 緩衝材熱傳導係數0.9 之短向分析....................................... 84 表5-1 應力分析所需之材料性質(KBS-3，2000).............................109 圖目錄 圖1- 1 高放射性廢料地下處置場之觀念圖（文獻:核能研究所）.....7 圖1- 2 多處置孔平面配置示意圖（文獻:陳朝旭2002）....................8 圖1- 3 熱源處-原型之材料分佈(俯視圖) ..............................................9 圖1- 4 熱源處-緩衝材分三層之材料分佈示意圖(俯視圖)..................9 圖1- 5 熱源處-內外熱間隙材料分佈示意圖(俯視圖)....................... 10 圖2-1 核廢料循環示意圖（資料來源：陳文泉高放射性廢料最終 處置緩衝材料之介紹，2001） .................................................23 圖2-2 瑞典廢料罐(資料來源：瑞典SKB) .........................................24 圖2-3 地下處置概念示意圖（資料來源：核能研究所，2002）.....24 圖2-4 處置坑道與處置孔概念剖面示意圖（資料來源：核能研究 所，2002）........................................................................................25 圖2-5 衰變熱之衰變函數曲線圖(蔡世欽,2000） ..............................25 圖2-6 BMT 32*17(垂直*水平)二維網格圖示意圖.............................26 圖2- 7 BMT 三維網格圖示意圖(陳朝旭,2002).................................. 27 圖3-1 一維熱傳導示意圖.....................................................................46 圖3-2 三維熱傳導示意圖.....................................................................46 圖3-3 熱對流現象(KBS，1985) ..........................................................46 圖3-4 元素數目對數值解的影響...........................................................47 圖3-5(A) 處置場配置(側視圖) .............................................................47 圖3-6 處置場內部處置孔長向邊界.....................................................48 圖3-7 處置場內部處置孔短向邊界.....................................................49 圖3-8 處置場內部、及外部處置孔示意圖.........................................49 圖3-9 處置場內部、及外部處置孔邊界示意圖...................................50 圖3-10 處置場內部、及外部處置孔邊界示意圖(立體圖) ................51 圖3-11 完整模型取四分之一示意圖...................................................52 圖3-12 KBS-3 文獻之衰變函數..........................................................52 圖3-13 KBS-3 模型尺寸示意圖...........................................................53 圖3-14 KBS-3 放大尺寸示意圖...........................................................53 圖3-15(B) 分析點之溫度歷時圖(資料來源KBS-3，2000).................54 圖3-16 KBS-3 模型以ABAQUS 分析之結果....................................55 圖3-17 單位面積熱作用在處置孔壁上(KBS-3，2000) .................. 55 圖4-1 原型模型尺寸示意圖.................................................................86 圖4-2 原型模型尺寸放大示意圖.........................................................86 圖4-3 原型材料分佈示意圖(俯視圖) ..................................................87 圖4-4 考慮緩衝材分三層材料分佈示意圖(俯視圖) ..........................87 圖4-5 考慮熱間隙材料分佈示意圖(俯視圖) ......................................88 圖4-6 處置孔安全溫度設計示意圖.....................................................88 圖4-7 衰變熱隨時間之比值.................................................................89 圖4-8 材料線性及材料非線性之分析結果.........................................89 圖4-9 原型及考慮緩衝材分三層之單處置孔分析.............................90 圖4-10 原型及考慮內外熱間隙之單處置孔分析................................90 圖4-11 原型長向間隔尺寸溫度分析...................................................91 圖4-12 緩衝材分三層長向間隔尺寸溫度分析....................................91 圖4-13 考慮熱間隙長向間隔尺寸溫度分析........................................92 圖4-14 原型短向間隔尺寸溫度分析.................................................92 圖4-15 緩衝材分三層短向間隔尺寸溫度分析....................................93 圖4-16 考慮熱間隙間隔尺寸溫度短向分析........................................93 圖4-17 邊界角隅處分析處置孔編號示意圖(陳朝旭,2002)................ 94 圖4-18-1 邊界角隅處分析原型之溫度歷時圖(1 號處置孔) ............95 圖4-18-2 邊界角隅處分析原型之溫度歷時圖(4 號處置孔) ..........95 圖4-18-3 邊界角隅處分析原型之溫度歷時圖(2 號處置孔)............. 95 圖4-19-1 角隅處分析-考慮三種緩衝材之溫度歷時圖(1 號處置孔) ..96 圖4-19-2 角隅處分析-考慮三種緩衝材之溫度歷時圖(4 號處置孔) ..96 圖4-19-3 界角隅處分析-考慮三種緩衝材之溫度歷時圖(2 號處置). 96 圖4-20-1 邊界角隅處分析考慮內外熱間隙之溫度歷時圖(1 號處置孔) ..............................................................................................97 圖4-20-2 邊界角隅處分析考慮內外熱間隙之溫度歷時圖(4 號處置孔) ..............................................................................................97 圖4-20-3 邊界角隅處分析考慮內外熱間隙之溫度歷時圖(2 號處置孔) ........................................................................................................... 97 圖4-21 緩衝材熱傳導係數0.9 之長向分析......................................98 圖4-22 緩衝材熱傳導係數0.9 之短向分析..................................... 98 圖5-1 熱應力分析之流程圖.............................................................110 圖5-2 莫耳庫倫降伏包絡線.............................................................110 圖5-3 水平及垂直應力方向示意圖.................................................111 圖5-4 應力分析模型邊界束制示意圖.............................................111 圖5-5 應力分析之參考位置示意圖(修改自KBS-3,2000) ..........112 圖5-6 參考點上之主水平應力.........................................................112 圖5-7 參考點上之副水平應力.........................................................113 圖5-8 參考點上之垂直應力.............................................................113 圖5-9 參考點上之最大主應力.........................................................114 圖5-10 位移示意圖.............................................................................114 圖5-11 地表層及處置層之位移歷時圖.............................................115 圖5-12 KBS-3 塑性區示意圖(資料來源: KBS-3，2000).................115 圖5-13 塑性區示意圖...........................................................................116 圖5-14 KBS-3 模型不考慮緩衝材及回填材之剪應力結果.............116 圖5-15 KBS-3 模型考慮緩衝材及回填材之剪應力結果.................117 圖5-16 KBS-3 考慮緩衝材及回填材無塑性區發生.........................117

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