一种应急处置核泄漏的冻结法效果模拟系统及评价方法

本发明涉及核泄漏处理领域，尤其是一种应急处置核泄漏的冻结法效果模拟系统及评价方法。

背景技术：

1、安置放射性核废料的处置场一旦受自然灾害或人类活动破坏，大量核废料将冲破处置库的工程和天然屏障随地下水流入生物圈造成不可预估的损失。由于冻土具有低渗透性、抗变形、抗辐射等优点，现有技术用于阻隔核电站核废水泄漏的人工地层冻结法具有良好应用推广前景，然而目前现有技术的应用效果缺乏有效的模拟系统和评价手段导致理论明显滞后于实践。

2、目前冻结法多应用于地铁建设以及立井、隧道掘砌工程，有关冻结法模拟装置及系统的研究难以实现冻结管参数的快速、灵活调节。此外，应急处置核泄漏的冻结法关键在于其快速阻渗，对冻结壁从形成到达到稳定过程的准确快速评价提出更高的要求，但现有技术无法满足对冻结壁阻渗性的准确监测，同时对冻结法实施效果的评估手段较为单一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种应急处置核泄漏的冻结法效果模拟系统及评价方法，以准确监测并评估冻结壁的阻渗性。

2、本发明的一方面提供了一种应急处置核泄漏的冻结法效果模拟系统，包括：阻渗实验系统、低温冷浴系统以及冻结壁监测系统；

3、其中，所述阻渗实验系统包括供水箱、蠕动泵、第一滤网、第二滤网、第一水管、第二水管、模型箱、多根冻结管以及废液回收箱；所述供水箱通过所述第一水管与所述模型箱的第一侧面连接，所述蠕动泵设置于所述第一水管上，所述第一水管上还设置有供水阀；所述第一滤网设置于所述模型箱内且与所述第一侧面形成进水室；所述废液回收箱通过所述第二水管与所述模型箱的第二侧面连接，所述第二滤网设置于所述模型箱内且与所述第二侧面形成出水室，所述第二水管上还设置有出水阀；所述第一侧面和所述第二侧面是相对面，所述第一滤网平行于所述第一侧面，所述第二滤网平行于所述第二侧面；所述冻结管设置于所述模型箱内且处于所述第一滤网和所述第二滤网之间，所述冻结管的管径可调节，所述冻结管的位置可移动；各根所述冻结管并排设置，且并排设置形成的平面与所述第一滤网和所述第二滤网平行；

4、所述低温冷浴系统通过进水管和出水管与所述冻结管连接，所述低温冷浴系统通过内置的循环泵与所述冻结管交换防冻液，并使所述进水管中防冻液的温度和所述出水管中防冻液的温度处于预设的恒定值；

5、所述冻结壁监测系统包括径向-轴向联合应变计、声发射测试系统、ct扫描系统以及数据和图像处理系统；所述径向-轴向联合应变计和所述声发射测试系统均设置于所述第一滤网和所述第二滤网之间；所述径向-轴向联合应变计用于监测冻结壁在所述模型箱内形成过程中径向和轴向产生的冻胀应变；所述声发射测试系统用于采集冻结壁形成过程中由于水冰相变导致冻土体积膨胀而产生的声信号；将包括ki的核素溶液作为所述ct扫描系统的ct造影剂，所述ct扫描系统用于向所述模型箱内冻结壁所在区域发射x射线以获得冻结壁所在区域核素溶液的渗流信息及孔隙率；所述数据和图像处理系统用于根据所述冻胀应变、所述声信号对应的特征参数以及所述孔隙率中的至少之一确定冻结壁的阻渗性。

6、可选地，每个所述冻结管上设置有拉环，拉动所述拉环用于调节所述冻结管的管径大小；

7、所有所述冻结管设置在一个滑轨上，每个所述冻结管可在所述滑轨上移动。

8、可选地，所述低温冷浴系统内部设置有冷浴槽，所述冷浴槽用于盛放防冻液，所述冷浴槽的内壁四周围绕设置有若干圈制冷管，所述制冷管用于控制防冻液的温度为所述预设的恒定值。

9、可选地，所述径向-轴向联合应变计包括径向应变计和轴向应变计；

10、所述径向应变计由一圈闭合的钢纤维线圈和粘结于钢纤维线圈表面的第一薄膜应变片组成；所述钢纤维线圈表面具有设定的粗糙度，以固定所述径向-轴向联合应变计的位置；

11、所述轴向应变计由固定在所述钢纤维线圈径向内的四根钢纤维和粘结于每根所述钢纤维和所述钢纤维线圈接触位置的第二薄膜应变片组成，每根所述钢纤维均指向所述钢纤维线圈的几何中心；

12、其中，所述钢纤维线圈的平面与所述第一滤网和所述第二滤网平行。

13、可选地，当冻结壁膨胀使所述钢纤维线圈产生形变而导致所述第一薄膜应变片内部敏感栅的电阻值产生变化时，所述径向应变计采集得到第一电阻值；

14、和/或，

15、当冻结壁膨胀使所述钢纤维产生形变而导致所述第二薄膜应变片内部敏感栅的电阻值产生变化时，所述轴向应变计采集得到第二电阻值；

16、其中，所述第一电阻值和/或所述第二电阻值作为所述冻胀应变。

17、可选地，所述ct扫描系统包括x射线源和探测器；

18、所述x射线源，用于产生x射线并向所述模型箱内冻结壁所在区域进行照射；

19、所述探测器，用于接收所述x射线穿透所述模型箱内冻结壁而产生的x射线信号，将所述x射线信号转化为第一数字信号，并发送至所述数据和图像处理系统；

20、所述数据和图像处理系统用于根据所述第一数字信号对冻结壁所在区域进行三维重构，得到重构模型；根据所述重构模型确定核素溶液穿透冻结壁的渗流信息以及冻结壁所在区域的孔隙率大小。

21、可选地，所述声发射测试系统包括波导杆、声发射传感器和信号放大器；

22、所述波导杆，用于传播所述声信号；

23、所述声发射传感器，用于采集所述声信号；

24、所述信号放大器，用于对所述声信号进行滤波和放大，并将经过滤波和放大的所述声信号转换为第二数字信号，再将所述第二数字信号发送至所述数据和图像处理系统。

25、可选地，所述数据和图像处理系统用于从所述第二数字信号中提取得到振铃次数、累计事件数及累计能量，作为所述声信号对应的特征参数；

26、其中，所述振铃次数为所述声信号的幅值在设定时间段内越过预设门槛电压的次数；所述累计事件数为在所述设定时间内波击鉴别所得的声发射事件数，所述声信号超过信号阈值并使所述数据和图像处理系统的任一通道获取到数据的任何信号作为一个波击，产生声发射的一次材料局部变化作为一个声发射事件；累计能量为所述声发射事件检波包络线下的面积，用于反映所述声发射事件的相对能量和强度。

27、可选地，所述数据和图像处理系统用于根据所述冻胀应变、所述声信号对应的特征参数以及所述孔隙率中的至少之一确定冻结壁的阻渗性，包括：

28、所述数据和图像处理系统用于根据所述冻胀应变、所述声信号对应的特征参数以及所述孔隙率确定综合评价表达式，并根据所述综合评价表达式确定冻结壁的阻渗性；

29、所述综合评价表达式为：

30、ki＝αne+β(aσa+bσr)+γ(cnr+dns+eae)

31、其中，ki为阻渗性的评价指标；ne为所述孔隙率；σa为所述冻胀应变中的轴向应变，σr为所述冻胀应变中的径向应变；所述声信号对应的特征参数包括振铃次数、累计事件数及累计能量，nr，ns，ae分别为所述振铃次数、累计事件数及累计能量；α，β，γ分别为所述孔隙率、所述冻胀应变和所述特征参数的系数，a为所述轴向应变的权重比，b为所述径向应变的权重比；c，d，e分别为所述振铃次数、累计事件数及累计能量的权重比。

32、本发明的另一方面还提供了一种应急处置核泄漏的冻结法效果评价方法，应用于上述的一种应急处置核泄漏的冻结法效果模拟系统中的数据和图像处理系统，所述评价方法包括：

33、获取由径向-轴向联合应变计测量得到的冻结壁在模型箱内形成过程中径向和轴向产生的冻胀应变；

34、获取由声发射测试系统采集得到的冻结壁形成过程中由于水冰相变导致冻土体积膨胀而产生的声信号，并确定所述声信号对应的特征参数；所述特征参数包括振铃次数、累计事件数及累计能量；

35、获取由ct扫描系统向所述模型箱内冻结壁所在区域发射x射线而获得冻结壁所在区域核素溶液的渗流信息及孔隙率；将包括ki的核素溶液作为所述ct扫描系统的ct造影剂；

36、根据所述冻胀应变、所述声信号对应的特征参数以及所述孔隙率确定综合评价表达式，并根据所述综合评价表达式确定冻结壁的阻渗性；

37、所述综合评价表达式为：

38、ki＝αne+β(aσa+bσr)+γ(cnr+dns+eae)

39、其中，ki为阻渗性的评价指标；ne为所述孔隙率；σa为所述冻胀应变中的轴向应变，σr为所述冻胀应变中的径向应变；nr，ns，ae分别为所述振铃次数、累计事件数及累计能量；α，β，γ分别为所述孔隙率、所述冻胀应变和所述特征参数的系数，a为所述轴向应变的权重比，b为所述径向应变的权重比；c，d，e分别为所述振铃次数、累计事件数及累计能量的权重比。

40、本发明通过径向-轴向联合应变计测得冻结壁在所述模型箱内形成过程中径向和轴向产生的冻胀应变，通过声发射测试系统采集得到冻结壁形成过程中由于水冰相变导致冻土体积膨胀而产生的声信号，通过ct扫描系统向模型箱内冻结壁所在区域发射x射线并获得冻结壁所在区域的孔隙率，进而数据和图像处理系统可以根据冻胀应变、声信号对应的特征参数以及孔隙率中的至少之一确定冻结壁的阻渗性，即本发明可以获取上述三种监测数据并可以基于至少一种监测数据对冻结壁阻渗性进行评估，使阻渗效果的评价更准确。

41、而且，通过改变冻结管的径向大小和位置，可以得到多种实验工况，进而本发明可以获得更全面的冻结壁阻渗性监测数据和进行更全面的冻结壁阻渗性评估。