郭家瑋

• 國立臺灣⼤學 新碳勘科技研究中⼼

在⾼階核廢料的最終處置規劃中，地質處置是國際間普遍認可的⻑期安全解決⽅案。此策略將核廢料深埋⾄數百公尺以下，透過多重障壁系統（multi-barrier system）降低放射性物質向地下⽔體與⽣物圈遷移的風險。其中，最接近核廢料容器的⼯程障壁系統（EBS），通常以可膨脹的膨潤⼟為緩衝與回填材料，其使命是在無⼈維護的情況下，於數千年⾄數萬年間持續穩定隔離放射性物質與地層⽔的接觸。然⽽，在深部地層中，這些材料將經歷乾燥、加熱、再飽和與變形等複雜變化，彼此交互

影響，形成典型的熱－⽔－⼒（THM）耦合⾏為。理解其演化機制，是確保最終處置場安全性的關鍵。

為深入探討實場條件下的障壁⾏為，本文針對瑞⼠ Grimsel 地下岩⽯實驗室中進⾏的全尺⼨實驗─FEBEX（Full-scale Engine-ered Barrier EXperiment）─進⾏三維模擬重建，解析膨潤⼟障壁在實際條件下的⻑期演化⾏為。FEBEX 為⽬前國際上最具代表性的 EBS ⻑期現地試驗之⼀，持續監測⻑達 18 年。其核⼼設計包括兩個模擬熱源（加熱器），

包覆壓實膨潤⼟磚，以觀測溫度、濕度與應⼒等⻑期變化(圖⼀和圖⼆)。表⼀顯⽰ FEBEX 實驗兩階段中層層遞進的的模擬步驟。

本成果為參與國際合作計畫 DECOVAL-EX-2019 Task D 的延伸成果之⼀，該任務旨在針對全尺⼨⼯程障壁系統的⽔－⼒及熱－⽔－⼒耦合⾏為進⾏跨國模擬與比較，整體任務成果已由計畫主持⼈統整發表於國際岩⽯⼒學與採礦科學期刊 《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》中 [1]。本篇所呈現之模擬⼯作，則聚焦於 FEBEX 隧道中膨潤⼟障壁的三維模擬與熱⽔⼒機制解析，為該任務台灣參

與團隊的具體貢獻，成果也已刊登於國際岩
⽯⼒學與採礦科學期刊[2]。模擬採⽤由台灣團隊開發與修改的 HYDROGEOCHEM 5.3（台灣電⼒公司專⽤版）模擬⼯具進⾏，探討膨潤⼟吸⽔⾏為（再飽和）、熱傳導與非飽和⽔⼒傳輸機制，以及熱－⽔耦合下應⼒與變形的時空變化。

模擬結果成功重現多項關鍵現象，包括軸向與徑向的溫度場演化；再飽和過程中相對濕度與含⽔量的分布變化；材料膨脹與總應⼒隨時間的變化趨勢；加熱器熱功率的逐步衰減等。簡⽽⾔之，靠近加熱器的溫度最⾼，熱效應可延伸數公尺，⻑期加熱使25。C等溫線延伸⾄約4.5m (圖三)；相對濕度由外

圍岩⽯向膨潤⼟中⼼緩慢滲入，中⼼區域飽和最晚；膨潤⼟靠近外圍岩⽯處的總應⼒約 5MPa，加熱器附近最低約2MPa，並隨時間趨於穩定。這些模擬結果與⻑期實測資料⾼度⼀致，展⽰模型再現屏障系統關鍵物理過程的可靠性，且有助於理解膨潤⼟障壁在真實場址下的演化⾏為與控制機制。

即使系統複雜、過程緩慢，透過物理建 模與⾼品質數據整合，仍可有效掌握地下⼯程障壁材料的⻑期⾏為。尤其在設計與評估 EBS 成效時，結合現地⻑期監測與THM耦合模擬，可提供更具科學性的安全驗證路徑。