基于时间和温度耦合作用的混杂纤维混凝土核废料容器的可靠度研究

核废料安全处置是核能可持续发展的全球性瓶颈问题。针对现行标准《低、中水平放射性固体废物混凝土容器》寿命偏低及未充分考虑服役时间和核废料衰变放热对贮存容器长期影响的不足，研究耐久寿命为300年的混杂纤维混凝土容器可贮存未经固化的废物，且使用年限达到核素迁移的安全期限。不仅可避免容器更换风险，且一并解决核废料固化和减容技术难题。首先，考虑容器材料的粘弹性性质，采用温度蠕变试验，探讨长期衰变热作用下材料的蠕变规律，以便从细观力学层次演绎混凝土宏观渐进破坏机制；其次，建立混杂纤维混凝土非线性温度徐变模型，结合系列宏观试验，揭示材料时变性能劣化特征，确定容器材料构成；最后，通过容器的高整体性能设计和数值计算反复修正容器设计方案。数值方法不局限于单因素条件模拟，更重在探讨时间、温度影响与混杂纤维混凝土复杂组分的交互作用，将以动态可靠指标作为系统失效判据，进而实时评估容器在服役全过程中的剩余寿命。

现行标准《低、中水平放射性固体废物混凝土容器》采用普通混凝土材料作为容器材料，其耐久寿命偏低且未充分考虑服役时间和核废料衰变放热对贮存容器长期影响，基于此，在容器材料研究阶段，将杜拉和玄武岩纤维掺入混凝土基材中作为低、中水平放射性核废料贮存容器材料，依据材料基本力学（抗压、劈拉）和耐久性能（蠕变、抗裂、碳化、抗渗、冻融）试验结果，并对容器材料进行正常使用极限状态下的抗裂、抗渗、抗冻可靠度分析，探明了材料性能劣化演变机制及特征，优选了容器材料配方。在容器整体性能研究阶段，通过预设测温元件测定了容器在浇筑成型过程中的水化热，结合数值模拟得到容器的温度应力；模拟核废料衰变放射热源，采用电加热测温装置获取容器内部实际温度分布，以实测温度为依据反分析容器材料的热工参数，通过对容器径向、环向、轴向应力和第一、第三主应力的时程分析，进而得到容器在服役过程中的温度场分布状况和温度应力；结合材料蠕变试验，引入蠕变柔量建立长期弹性模量与瞬时弹性模量的关系，修正了容器材料性能的经时模型；以容器在服役全寿命过程中的温度应力作为荷载，容器材料抗拉强度作为抗力，以动态可靠指标作为失效判据建立容器可靠度功能函数，分析低、中水平放射性核废料贮存容器的服役特征，结果表明容器可达核素迁移的安全期限。