核素迁移(徐鑫鑫)

核素迁移的现状和发展（西南科技大学安全技术及工程2010000598 徐鑫鑫）摘要：本文着重评述了当前有关放射性废物地质处置的核素迁移研究的进展，介绍了核素的迁移机理，以及讨论了迁移化学和天然类比体系。

关键词：核素迁移，进展，核废物处理，迁移化学全世界面临着能源遗乏的紧张局面,大力发展核能将是一种不可避免的趋势。

我国在核能发展方面,由于过去认识落后,起步很晚,加上现在资金和技术上的困难,在本世纪末的发展规模是很有限的。

但可以预见到,在下一个世纪我国的核电事业必将有较大的发展,以满足大规模的社会主义建设对能源的需求。

从另一方面看,发展核电的重要前提是必须安全地处置核动力反应堆产主的大量的放射性废物。

这些被公众所厌恶的废物的安全处置问题,已经成为当前核电发展的严重障碍。

如在瑞士,法律规定核电站对核废物的贮存和处置负有责任。

为此,五个核电站共同出资建立了“国家放射性废物处置组织(NAGRA)”全面负责规划、研究和解决这个难题,然后将根据废物处置方案的安全可靠性,进行全国公民投票来决定继续使用核电站还是关闭全部核电站。

最终安全地处置核废物的目的是将放射性废物与人类环境相隔离,使人类不受其放射性的危害。

世界各国公认的较为安全的处置方法(主要指高放废物)是地质处置,即将放射性废物处置库建造在深度地质层中,使用工程的和天然的多层屏障将废物隔离起来,天然的深厚的地质岩层和地层成为有效的最后屏障。

可是,必须看到这种屏障并不能保证绝对的安全。

在几百年、几千年后水泥废物库及包装体终将分崩瓦解,废物中的各种放射性核素将随着地下水流,或多或少地从地下废物库中迁移到生物圈中来。

因此，对放射性核素的迁移行为和规律的研究是放射性废物安全处置的一个十分关键的问题]2][1[。

1 核素的迁移机理放射性核素在岩石中随地下水的迁移主要包含三种物理化学作用:1) 由于水流运动及流体个别质点流速、流向差异而引起的机械弥散与分子扩散综合作用而导致的核素迁移,称为水动力弥散；2) 核素随地下水的宏观迁移，称为对流弥散；3) 吸附作用,当放射性核素随地下水流穿过被水饱和的岩石孔隙时,由于溶液pH值不同,在固液界面上进行不同程度的离子交换,形成岩石孔隙表面对核素的吸附作用,从而减缓扩3[ 。

散进程。

这三种物化作用是研究放射性核素在裂隙岩石中的迁移规律时的主要方向]52 核素迁移的试验研究及进展核素迁移试验研究从规模和形式上大体可分为三种类型:1）岩样示踪试验: 在专门设计的试验装置内对岩石样品进行示踪试验,试件的尺寸从数厘米到数米不等,试验装置由试件主体部分( 试件、绝热、密封材料等)、压力传导系统和数据采集系统三部分构成。

2) 钻孔示踪试验:通过钻孔对放射性核素在处置库围岩中的迁移行为进行观测,并用不同的概念模型和数学模型对处置库中核素迁移时空分布规律进行模拟试验研究。

3) 地下实验研究:利用废弃的巷道、矿坑( 井) 建立地下实验室,对放射性核素在地质屏障中的迁移规律进行试验和模拟研究。

国际上,开展裂隙岩体核素迁移试验研究较为深入的是美国、瑞典、日本、法国和加拿大等西方发达国家,它们已经开展了一系列以高放废物深地质处置为目的的放射性核素迁移试验研究,取得了大量实质性进展,主要表现为:1)通过各种试验研究,对放射性核素在裂隙介质中的对流、扩散、吸附和阻滞规律及迁移机理的认识得到了进一步提高,为高放废物深地质处置库围岩中放射性核素迁移概念模型和数学模型的建立奠定了理论基础。

2)获得了大量试验资料,对以花岗岩、凝灰岩、盐岩、黏土岩等为围岩的处置库，获得了大量放射性核素迁移的水动力弥散参数,为处置库场地的特征评价提供了科学依据。

3)长时间、大规模的地下实验研究,为长时间尺度下高放废物深地质处置库安全性能评价提供了比拟研究的途径。

4)裂隙岩体核素迁移试验技术和方法得到了进一步完善和发展,开拓了裂隙岩体核素迁移试验新的途径和方法,丰富了裂隙岩体核素迁移试验理论,研制开发了一些适合于裂隙岩体核素迁移试验的试验装置和测量浓度、温度、压力的传感器。

我国的实验研究比较零散,实验技术有待完善, 核素迁移规律还没有得到充分阐明,核素迁移模式还需要进一步研究,实验数据的积累也不够]6[。

国内主要开展了以下几方面工作:1) 核素在矿物及岩石粉粒上的吸附研究,通常的做法是将岩石粉碎后,在模拟地下水的条件下,通过静态实验和柱迁移实验研究核素在介质上的吸附性能。

2) 核素在完整岩石介质和矿物中的迁移研究。

3) 野外现场核素迁移实验,在国内开展以放射性废物地质处置为目的的野外核素迁移实验较少。

4) 进行模拟处置库条件下的核素迁移研究这一阶段刚刚起步,核工业地质研究院环保中心已经建立起模拟处置库条件下核素迁移研究的实验装置（RAD-MIG），用于研究在较高温度和压力的封闭还原条件下核素的迁移行为。

设计工作条件为: 压力0MPa-5MPa,温度20-100摄氏度，氧浓度不大于1.0ppm，Eh不大于-200mV。

总之,在核素迁移研究中,我国远远落后于国外,主要开展了核素迁移的室内实验研究,并进行过少量的野外实验工作。

3 裂隙介质中核素迁移模拟研究1) 深地质处置系统概念模型的建立:研究表明,深地质处置系统一般由工程屏障系统( 玻璃固化体、包装容器、回填材料)、地质屏障系统和生物圈三部分构成,因此,从模拟对象上,高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移模拟应包括工程屏障中核素分解和迁移行为模拟、地质屏障中核素迁移模拟和生物圈中核素迁移模拟。

2) 裂隙岩体核素迁移机理和迁移模型: 裂隙岩体核素迁移机理研究主要包括核素在裂隙岩体中的对流、扩散、吸附和阻滞规律的研究,以及核素迁移过程中的水岩作用过程和核素存在、迁移形式研究；根据裂隙介质的特征,裂隙岩体核素迁移模型可分为单裂隙核素迁移模型、连续或等效连续介质核素迁移模型、裂隙网络介质核素迁移模型,其中,裂隙网络介质核素迁移模型是高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移模拟研究的发展趋势。

3) 多场耦合问题:由于高放废物地质处置系统的复杂性,核素溶解、迁移行为的模拟是一项复杂的系统工程。

4) 数值模拟方法: 高放废物地质处置系统中核素迁移介质非均质性和核素迁移条件的复杂性,决定了高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移的数学模型难以用解析法求解, 核素迁移数学模型数值解法研究和计算软件的开发亦是高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移模拟研究的基本问题之一。

5) 迁移参数的反演和灵敏性分析: 一方面,通过高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移模拟研究能模拟放射性核素迁移的时空分布规律,进而达到评价高放废物深地质处置系统安全性能的目的；另一方面,通过核素迁移模拟数据与试验观测数据的拟合可以反演核素迁移的水动力弥散参数。

此外,借助核素迁移模拟进行参数灵敏性分析也是高放废物深地质处置系统中放射性核素迁移模拟研究的基本问题之一。

4 核素迁移的化学研究化学家的工作主要集中在实验室中模拟测定上述各种化学元素,以地下水为介质的在多种屏障材料中的吸附分配比D R 值,滞留因子1R 值，岩石容量α值,表观扩散系数αD 和有效扩散系数e D ]8,7,1[值。

所用的屏障材料,近场的有水泥、混凝土、回填用的膨润土等,远场的有花岗岩、玄武岩、片麻岩、凝灰岩、硬石膏、碳酸钙、自云石、泥灰岩、页岩、砂石、粘土、土壤及多种矿石。

除了在实验室中进行模拟测试实验,还需进行观察各种元素的迁移,滞留性质的野外现场实验。

野外实验的主要手段是挖掘多口监测井,进行较大规模和较长时间的观察]10,9[。

经过20多年来的各国有关实验室的大量工作,对各种元素在各种材料中的吸附分配比d R 值和扩散系数αD ，e D 值的则定,已经积累了数量浩大的效据。

当前的一个重要问题是如何正确判断这些数据的可靠程度,以及怎样进一步改进现有的实验方法。

例如，众相争议的是在实验中固体材料样品的粉碎过程对d R 值测定带来的严重影响问题]11[。

为了测定d R 值, 不论是吸附平衡或解吸平衡实验, 或是测定吸附等温线,所有的块状固体材料必须事先进行粉碎,这是一个不可避免的预处理步骤。

可是材料一旦经过粉碎处理,必然改变了它原有的天然性质,尤其明显的是制造了许多新鲜的表面, 并引进了新的张力,且这些多裂缝的新表面与水接触后,容易快速风化,致使吸附性能随时间而发生变化,这些将改变天然物质对核素的吸附的本来性能,给出了不真实的d R 值。

至今,对这个相当普遍的实验方法问题,还找不出一个妥善的解决办法。

除了上述的重要参数测定工作外，一些元素,特别是锕系元素的水解常数,络合常数的测定,仍是一个重要的研究内容。

这些常数对于确定核素在地下水中的溶解度和判断其所处的化学形态是必需的。

国际上已建立的化学热力学数据库,对研究核素的化学形态是很有帮助的。

在实验测定核素的化学形态方面,近年来发展了一些新的方法,如极谱、伏安等电化学法, 激光共振光电离质谱法,激光光声光谱法等。

为了确认在一定的电位h E 和酸度pH 条件下,某核素所处约化学状态,绘制更精确的h E -pH 图, 即Pourbaix 图也是必要的。

怎样在实验室中模拟深地质层中地下水的还原h E 条件（-0.4——-0.7V ）,也是一个难以解决好的问题。

通常的做法有几种：最简单的方法是通氮气,但它不能使h E 降到负值；通入99%Ar+1%2CO ，使h E 达到-0.1——-0.2V 左右；加入铁E下降到-0.4——-0.5V左右,但缺点是引入了使体系复杂化的外来物质。

粉或联胺有望将h还有一个在近年来引人注目的问题,即在地下水中广泛存在的胶体问题。

微量的放射性核素能形成胶体或吸附在胶体的表面上，这些颗粒极微（直径约为1——1000nm）的胶体, 脱离了固相介质而随着地下水自由地迁移,这对阻止核素迁移是一个极为不利的因素。

研究表明这类胶体与经典的放射性胶体类同,可分为两类：一类称为真胶体, 这是由放射性核素的阳离子,本身经水解产生的氢氧化物,或生成的多核金属离子固态络合物；另一类称为假胶体, 是放射性核素被吸附在水泥,粘土,有机腐殖物质或微生物的微粒表面上而形成的。

80年代初又提出了一种核素被地质材料所滞留的新机制,称为基岩扩散。

这是一种核素在岩石的裂缝的细微末梢中的扩散过程,这种过程速度极慢,是有利于滞留核素的机制。

5 天然类比体系研究天然类比体系指在历史上早已存在的自然界的一些特殊体系，如天然反应堆、老铀矿、化学元素地质沉积层等，可以用来作为模拟很长历史时期后的废物处置库的模型。

由于天然体系历史悠久、规模巨大，它比实验室研究更接近于将来的废物处置库的实际，是公认为有价值的研究对象。

Chapman等]13,12[曾详细的论述了选择天然类比体系的种种条件，同时也告诫了人们不要对这种研究方法给以过高的评价。