集成緩沖材料對(duì)鍶的長(zhǎng)期阻滯效應(yīng)

王 哲，易發(fā)成

1.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026

集成緩沖材料對(duì)鍶的長(zhǎng)期阻滯效應(yīng)

王 哲1,2，易發(fā)成1

1.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026

緩沖材料作為高放廢物處置庫(kù)中多重屏障體系的最后一道人工屏障，其對(duì)放射性核素的阻滯性能將直接影響到處置庫(kù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。以具有低滲透性和良好的膨脹自愈性的膨潤(rùn)土作為集成緩沖材料的基材，以沸石和黃鐵礦作為礦物添加劑，三者按照質(zhì)量比為63∶27∶10均勻混合構(gòu)成集成緩沖材料B7ZP，并采用恒定源擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)分析了鍶在干密度為1.70 g/cm3試樣中的擴(kuò)散特性，結(jié)果表明，B7ZP緩沖材料對(duì)鍶具有良好的阻滯性能，其表觀擴(kuò)散系數(shù)為3.30×10-12m2/s。同時(shí)，以多孔介質(zhì)污染物遷移理論為依據(jù)，建立了鍶在集成緩沖材料B7ZP中遷移的對(duì)流-彌散-吸附多場(chǎng)耦合方程，并應(yīng)用Matlab軟件分析了不同的時(shí)間尺度、滲流速率、表觀擴(kuò)散系數(shù)和阻滯因子等因素下集成緩沖材料B7ZP對(duì)鍶的長(zhǎng)期阻滯性能，為高放廢物處置庫(kù)的緩沖材料設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期阻滯性能評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

集成緩沖材料；阻滯效應(yīng)；高放廢物地質(zhì)處置；鍶

在核工業(yè)發(fā)展與核技術(shù)應(yīng)用中必然產(chǎn)生大量的放射性廢物，包括軍工生產(chǎn)遺留及核設(shè)施退役產(chǎn)生的放射性廢物。這些核工業(yè)中產(chǎn)生的放射性廢物，其99%來(lái)自核燃料后處理工廠，以裂變產(chǎn)物90Sr和137Cs、未被回收的Pu和U以及大部分超鈾元素為主[1]。90Sr和137Cs具有遷移容易和半衰期較長(zhǎng)(90Sr，28.8 a；137Cs，30.2 a)的特點(diǎn)，其中，90Sr的離子半徑(0.112 nm)與Ca2+的離子半徑(0.099 nm)接近，兩者生物化學(xué)行為相似，90Sr可在人體骨骼內(nèi)富集而成為內(nèi)輻射源，相關(guān)研究表明骨癌、軟組織腫瘤、白血病及貧血等都與90Sr在體內(nèi)的長(zhǎng)期累積有關(guān)[2]。因此，如果這些放射性廢物得不到安全而有效地處理和處置，不僅會(huì)影響到核工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也會(huì)對(duì)環(huán)境安全構(gòu)成一定威脅。

國(guó)際上，對(duì)于高放廢物的處置主要傾向于采用深地質(zhì)處置，即將高放廢物深埋于距地表500～1 000 m深的穩(wěn)定地質(zhì)體中，人為設(shè)置多重屏障來(lái)阻止核素的泄漏與遷移，以達(dá)到對(duì)高放廢物的安全處置[3]。針對(duì)高放廢物深地質(zhì)處置的多重屏障體系研究，瑞典科學(xué)家在20世紀(jì)70年代中期認(rèn)識(shí)到處置庫(kù)圍巖中地下水的循環(huán)是不可避免的，在處置概念模型中引入了有效人工屏障體系，提出了“在廢物周?chē)⑷斯て琳?，局部通過(guò)附加物理屏障來(lái)增強(qiáng)封閉功能”的觀點(diǎn)[4]。鑒于高放廢物深地質(zhì)處置系統(tǒng)的性能要求，Pusch等[5]經(jīng)過(guò)大量的相關(guān)試驗(yàn)研究和對(duì)比分析，認(rèn)為以蒙脫石為主要成分的膨潤(rùn)土是高放廢物深地質(zhì)處置最適合的緩沖材料。

放射性核素遷移并返回生物圈的主要?jiǎng)恿κ亲鳛楹怂貍鬟f載體的地下水的流動(dòng)和核素濃度差引起的擴(kuò)散，而阻滯核素遷移的因素主要是天然及人工工程屏障對(duì)放射性核素的吸附作用。使用單一膨潤(rùn)土礦物作為高放廢物地質(zhì)處置多重屏障系統(tǒng)的緩沖材料，雖然滿(mǎn)足了緩沖材料對(duì)吸附性和抗?jié)B的基本要求，但是卻無(wú)法克服純膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)性低及濕化后出現(xiàn)“團(tuán)?；倍鴮?dǎo)致壓實(shí)成型不均的弊端。針對(duì)這一問(wèn)題，各國(guó)展開(kāi)了向膨潤(rùn)土主料中添加石英砂、石墨、沸石和高嶺土等[6-8]，其中以添加10%～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的石英砂最為普遍，但與純膨潤(rùn)土相比，砂的加入會(huì)導(dǎo)致混合型砂-膨潤(rùn)土緩沖材料的整體阻水性能和對(duì)核素吸附性能的降低[9-13]。

因此，緩沖材料作為高放廢物深地質(zhì)處置多重屏障系統(tǒng)中的最后一道人工屏障，其對(duì)放射性核素的吸附滯留及阻滯特性將直接影響到放射性廢物中的放射性核素隨地下水逐漸滲出地質(zhì)屏障而返回到生物圈的能力。前期研究結(jié)果表明，集成緩沖材料中含有63%～72%膨潤(rùn)土、18%～27%沸石及10%黃鐵礦時(shí)，其滲透性能、膨脹性、壓實(shí)性能和導(dǎo)熱性能等滿(mǎn)足高放廢物處置庫(kù)中人工地球化學(xué)屏障的工程性能要求[14-18]，本工作重點(diǎn)探討B(tài)7ZP(B代表新疆膨潤(rùn)土，Z代表新疆沸石，P代表四川江油黃鐵礦；三者質(zhì)量比為63∶27∶10)對(duì)鍶的長(zhǎng)期阻滯性，并預(yù)測(cè)分析不同時(shí)間尺度、阻滯因子、擴(kuò)散系數(shù)和滲流速率等因素對(duì)鍶在集成緩沖材料中遷移程度的影響，為緩沖材料的阻滯性能評(píng)價(jià)及緩沖材料設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及樣品制備

基材礦物為產(chǎn)自新疆塔城地區(qū)的白堊系上統(tǒng)艾里克湖組的天然鈉基膨潤(rùn)土，其主要礦物為蒙脫石，其次為α-方石英和長(zhǎng)石，以及少量的褐鐵礦和伊利石。

添加劑的主要礦物為新疆沸石和四川江油黃鐵礦，其中：新疆沸石產(chǎn)自新疆烏魯木齊淺水河地區(qū)下白堊統(tǒng)吐魯番組地層中，其主要礦物組成為絲光沸石、斜發(fā)沸石、葉沸石、石英，含少量蒙脫石、長(zhǎng)石、水云母；四川江油黃鐵礦產(chǎn)自四川省江油市楊家院黃鐵礦礦床中，其主要礦物成分為黃鐵礦及少量石英和白云石。

1.2 試劑與儀器

氯化鍶(SrCl2·6H2O)，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，成都長(zhǎng)聯(lián)化工試劑有限公司；鹽酸(HCl)，分析純，成都長(zhǎng)聯(lián)化工試劑有限公司。

7500CE型等離子發(fā)射光譜-質(zhì)譜儀(ICP-MS)，美國(guó) Agilent公司；IS-RDH1型恒溫臥式振蕩器，美國(guó)精祺公司；BSA224S型電子天平，德國(guó)賽多利斯公司，精度為0.000 1 g；S975 SevenExcellence型pH測(cè)量?jī)x，梅特勒-托利多國(guó)際股份有限公司；TG1850-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)有限公司；YAW-300型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；恒定源擴(kuò)散裝置，自制。

1.3 遷移擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)方法

核素貫穿擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)和加工的小型恒定源擴(kuò)散池實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)，其中原液池體積V1=710 cm3，取樣池體積V2=110 cm3。將含水率為15%、質(zhì)量比為63∶27∶10的膨潤(rùn)土、沸石和黃鐵礦混合均勻并均勻濕化24 h后，置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，并以2 kN/s的加載速率逐漸施加荷載至最終荷載50 MPa后飽載5 min，其試樣為直徑φ=50 mm、厚度L=5 mm、干密度ρ=1.70 g/cm3的緩沖材料擴(kuò)散片，并安裝在原液池和取樣池中間。為防止樣片遇水開(kāi)裂，在其兩面各貼一層400目的不銹鋼網(wǎng)，安裝完畢后擰緊固定螺栓。在原液池中注滿(mǎn)去離子水后，在取樣池一側(cè)用真空泵抽真空使擴(kuò)散片飽和，當(dāng)采樣池一側(cè)有水穩(wěn)定滲出時(shí)停止抽真空；將原液池內(nèi)去離子水倒出并加注一定濃度的含Sr2+溶液，同時(shí)取樣池內(nèi)注滿(mǎn)去離子水并加蓋密封，調(diào)整擴(kuò)散池至水平并保持兩側(cè)液面高度相同。定期從取樣池內(nèi)取1.0 mL溶液測(cè)量其質(zhì)量濃度，為防止取樣后兩側(cè)液面高度差而產(chǎn)生對(duì)擴(kuò)散的影響，取樣后迅速向取樣池內(nèi)補(bǔ)注相同體積的去離子水。根據(jù)擴(kuò)散理論、Fick第二定律及恒定源擴(kuò)散法邊界條件得到一維擴(kuò)散方程(式(1))，取樣測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)取樣池中核素溶液濃度，并作C/C0-t曲線圖，De和α的值可由C/C0-t曲線中直線段斜率K和截距tg求得，并按照式(2)和式(3)計(jì)算De和α的值。

(1)

(2)

(3)

式中：Da，表觀擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，且有Da=De/α；α，擴(kuò)散樣片的容量因子，α=e+ρKd；De，有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，與距離x無(wú)關(guān)；Kd，吸附分配系數(shù)，mL/g；e，孔隙比；ρ，試樣干密度，g/cm3；V2，取樣池體積，m3；A，擴(kuò)散片橫斷面積，m2；L，擴(kuò)散片的厚度，m；C0、C，原液池、取樣池中核素的質(zhì)量濃度，mg/L；t，穿透時(shí)間，s。

圖1 恒定源擴(kuò)散池Fig.1 Constant source diffusion pool

2 結(jié)果與討論

2.1 集成緩沖材料對(duì)鍶的阻滯性能

鍶在B7ZP型集成緩沖材料中的擴(kuò)散曲線及其擬合直線示于圖2，并參照式(2)和式(3)計(jì)算得到擴(kuò)散參數(shù)列于表1。由表1可知，干密度為1.70 g/cm3的B7ZP型集成緩沖材料的表觀擴(kuò)散系數(shù)Da=3.30×10-12m2/s，有效擴(kuò)散系數(shù)De=6.48×10-12m2/s。

而Idemistu 等[19]研究了鍶在日本的Kunigel Ⅵ壓實(shí)鈉基膨潤(rùn)土中的表觀擴(kuò)散系數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)鍶的表觀擴(kuò)散系數(shù)隨膨潤(rùn)土干密度的增加而降低，當(dāng)Kunigel Ⅵ膨潤(rùn)土干密度從1.0 g/cm3增加到2.0 g/cm3時(shí)，鍶的表觀擴(kuò)散系數(shù)從15.0×10-12m2/s減小到4.3×10-12m2/s；蘇錫光等[20]研究了鍶在西北紅泉膨潤(rùn)土中的擴(kuò)散特征，研究結(jié)果表明，鍶在紅泉膨潤(rùn)土中的擴(kuò)散速率緩慢，其表觀擴(kuò)散系數(shù)為1.59×10-12m2/s；劉艷等[21]研究了鍶在壓實(shí)新疆柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土中的擴(kuò)散行為，研究結(jié)果表明，表觀擴(kuò)散系數(shù)均隨柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土干密度的增加而減小，當(dāng)干密度從1.2 g/cm3增加到1.7 g/cm3時(shí)，鍶的表觀擴(kuò)散系數(shù)從18.2×10-12m2/s減小到7.64×10-12m2/s。這說(shuō)明B7ZP型集成緩沖材料對(duì)鍶的阻滯性能優(yōu)于或相當(dāng)單一膨潤(rùn)土。

(a)——擴(kuò)散曲線，(b)——擬合直線圖2 鍶在B7ZP集成緩沖材料上的擴(kuò)散曲線Fig.2 Diffusion curve of strontium in B7ZP type integrated buffer material

樣品元素C0/(mg·L-1)ρ/(g·cm-3)K/d-1t/dDe/(m2·s-1)αDa/(m2·s-1)B7ZPSr43.811.700.00214.656.48×10-121.9703.30×10-12

綜上，以膨潤(rùn)土為基材，以沸石和黃鐵礦作為添加劑構(gòu)成的集成緩沖材料B7ZP，其對(duì)鍶具有良好阻滯性能。

2.2 集成緩沖材料B7ZP對(duì)鍶的長(zhǎng)期阻滯性能評(píng)價(jià)

1) 核素遷移的多場(chǎng)耦合模型建立

高放廢物處置庫(kù)在關(guān)閉并投入運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，地下水可能沿著處置庫(kù)圍巖裂隙等通道浸入處置庫(kù)中并使緩沖材料逐漸達(dá)到飽和。地下水對(duì)高放廢物罐體的長(zhǎng)期侵蝕作用可能會(huì)使高放廢物罐破裂，導(dǎo)致地下水進(jìn)入罐體并與廢物固化體接觸。當(dāng)固化體中的核素隨著地下水不斷的溶解和浸出，核素突破近場(chǎng)的最后一道人工屏障——緩沖材料屏障后，向處置圍巖和生物圈等遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境遷移。因此，建立核素在緩沖材料中的遷移阻滯模型，預(yù)測(cè)核素在緩沖材料中的遷移過(guò)程，對(duì)高放廢物處置庫(kù)的安全評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

核素在緩沖材料中遷移模型的建立需作出如下假設(shè)：(1) 緩沖材料是均勻的各向同性材料；(2) 緩沖材料對(duì)放射性核素的吸附過(guò)程是線性等溫吸附；(3) 緩沖材料在放射性廢物包裝容器被腐蝕破壞之前就已達(dá)到飽和狀態(tài)，且固體骨架不發(fā)生變化；(4) 流體在緩沖材料中的運(yùn)移滿(mǎn)足Dacy定律；(5) 核素在緩沖材料遷移的過(guò)程中不考慮由于化學(xué)反應(yīng)而引起核素質(zhì)量的變化，遵循質(zhì)量守恒；(6) 除了從高放廢物固化體中浸出的核素外，不存在其他源項(xiàng)，核素在固相和液相中濃度達(dá)到平衡。

由高放廢物深地質(zhì)處置多重屏障系統(tǒng)模型可知，將該系統(tǒng)人工工程屏障系統(tǒng)中軸線縱向投影到立面后，高放廢物固化體作為污染源被緩沖材料包圍，作為瞬時(shí)釋放污染源。根據(jù)一般污染物在多孔介質(zhì)中的遷移方程[22-24]，并考慮核素在緩沖材料中的遷移擴(kuò)散是受核素-緩沖材料相互作用與地下水水動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩方面因素共同控制。因此，核素遷移模式是由核素吸附模式和地下水水動(dòng)力學(xué)模式耦合而成的，在建立核素的遷移阻滯模型時(shí)，需要考慮地下水的溶質(zhì)對(duì)流作用、水動(dòng)力彌散作用和核素的吸附作用及衰變作用，其核素在緩沖材料中遷移的對(duì)流-彌散-吸附-衰變方程如下[25-26]：

(4)

式中：Rd為阻滯因子；λ=ln2/T為放射性核素的衰變常數(shù)；D為核素在緩沖材料中的彌散系數(shù)，當(dāng)水流速率較小時(shí)，D可近似為表觀擴(kuò)散系數(shù)Da，m2/a；C為緩沖材料中任意時(shí)刻、任意點(diǎn)核素質(zhì)量濃度，mg/L；v為地下水在緩沖材料中的滲流速率，m/a，其中v=kI，k為壓實(shí)型緩沖材料的飽和滲透系數(shù)，m/a；I為水力梯度，無(wú)量綱；t，核素在回填材料中遷移的時(shí)間，a。

而核素在緩沖材料中的運(yùn)移與恒定源擴(kuò)散類(lèi)似，僅考慮x方向核素遷移，在不考慮核素衰變的情況下，核素在飽和緩沖材料中的x方向遷移可用一維遷移方程(式(5))來(lái)描述，可以更保守穩(wěn)妥地估計(jì)核素遷移的程度。

(5)

對(duì)方程(4)可根據(jù)初始條件和邊界條件求出解析解。

初始條件：C(x,0)=0，(0

邊界條件：C(0,t)=C0，C(∞,t)=0，(t>0)

對(duì)式(5)進(jìn)行Laplace變換，得到核素遷移方程的解析解：

(6)

2) 不同影響因素下核素在緩沖材料中遷移程度的數(shù)值模擬分析

根據(jù)2.1節(jié)中獲得的B7ZP型集成緩沖材料的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，以及文獻(xiàn)[16]對(duì)集成緩沖材料的滲透特性進(jìn)行了研究，并獲得了B7ZP型集成緩沖材料的飽和滲透系數(shù)，鍶在緩沖材料中遷移程度的數(shù)值模擬參數(shù)列于表2。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用一維遷移方程(式(5))所求得的解析解(式(6))，并應(yīng)用MATLAB軟件，對(duì)不同影響因素條件下鍶在集成緩沖材料的遷移行為進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為高放廢物處置庫(kù)的緩沖材料設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

(1) 不同時(shí)間尺度條件下鍶在緩沖材料中的遷移程度預(yù)測(cè)

為確定鍶在不同時(shí)間尺度內(nèi)(100、300、1 000、5 000、10 000 a)的遷移距離，依據(jù)表2中鍶在B7ZP集成緩沖材料上的遷移參數(shù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果示于圖3。由圖3可知，經(jīng)過(guò)100 a后，鍶在B7ZP集成緩沖材料中的遷移距離約為0.2 m，經(jīng)過(guò)1 000 a后，鍶在B7ZP集成緩沖材料中的遷移距離約為0.6 m；經(jīng)過(guò)10 000 a后，鍶在B7ZP集成緩沖材料中的遷移距離約為2.2 m。因此，若將B7ZP集成緩沖材料的厚度設(shè)置成0.6 m，能夠保證將高放廢液在1 000 a內(nèi)由于裂變而產(chǎn)生的大量90Sr阻滯在緩沖材料內(nèi)。

表2 鍶在集成緩沖材料B7ZP上的遷移參數(shù)

(2) 滲流速率對(duì)核素遷移程度影響的模擬分析

緩沖材料的飽和滲透性能是評(píng)價(jià)緩沖材料屏障功能的重要指標(biāo)。而用于放射性廢物深地質(zhì)處置的高壓實(shí)緩沖材料，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)對(duì)其飽和滲透系數(shù)要求不能大于1×10-11m/s[27]。

以集成緩沖材料B7ZP為研究對(duì)象，模擬分析不同滲流速率條件下(v1=1.58×10-5m/a、v2=1.58×10-4m/a、v3=3.16×10-4m/a、v4=1.58×10-3m/a、v5=3.16×10-3m/a)鍶在緩沖材料中的遷移程度，其數(shù)值模擬參數(shù)分別為：阻滯因子Rd=5.18，表觀擴(kuò)散系數(shù)Da=1.04×10-4m2/a，遷移時(shí)間t=1 000 a。

1——100 a，2——300 a，3——1 000 a，4——5 000 a，5——10 000 a圖3 不同時(shí)間Sr在B7ZP中的遷移距離Fig.3 Migration distance of Sr in B7ZP under the condition of different times

1——v1=1.58×10-5 m/a，2——v2=1.58×10-4 m/a，3——v3=3.16×10-4 m/a，4——v4=1.58×10-3 m/a，5——v5=3.16×10-3 m/a圖4 滲流速率對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響Fig.4 Effect of seepage velocity on migration distance of Sr in B7ZP type buffer material

圖4為滲流速率對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響結(jié)果。由圖4可以看出：鍶在緩沖材料B7ZP中遷移距離隨著滲流速率的增大而增加。但是，當(dāng)滲流速率v減小到不大于10-4m/a時(shí)，鍶的遷移距離隨著滲流速率的增加或減小而變化不大，緩沖材料厚度只需設(shè)置為0.6 m就能將鍶阻滯在緩沖材料內(nèi)，而保證其在1 000 a不會(huì)穿透緩沖材料而遷移到處置庫(kù)圍巖中來(lái)；當(dāng)滲流速率v增加到不小于10-3m/a這個(gè)數(shù)量級(jí)之后，其在緩沖材料中的遷移距離隨著滲流速率的增加而成倍的增大，若要保證鍶在1000 a內(nèi)不從緩沖材料中遷移出來(lái)則要通過(guò)加大緩沖材料的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由圖4也可以看出：當(dāng)滲流速率v≤10-4m/a時(shí)，遷移距離曲線1、2、3較接近，遷移距離在0.6 m左右，這說(shuō)明鍶遷移距離對(duì)滲流速率變化的敏感性低；當(dāng)滲流速率v≥10-3m/a時(shí)，遷移距離曲線之間的距離加大，遷移距離也明顯增大，這說(shuō)明鍶遷移距離對(duì)滲流速率變化的敏感性高，滲流速率對(duì)遷移距離影響大。因此，緩沖材料的飽和滲透系數(shù)k不大于10-4m/a(即k≤10-11m/s)，滲流速率的變化對(duì)核素在緩沖材料中遷移距離的影響甚微，在進(jìn)行集成緩沖材料設(shè)計(jì)時(shí)，只需其抗?jié)B性能滿(mǎn)足k≤10-11m/s即可，單純從降低緩沖材料滲透系數(shù)的這個(gè)角度來(lái)提高對(duì)其核素的阻滯性能的意義不大，這也是對(duì)IAEA要求緩沖材料的滲透系數(shù)不大于10-11m/s做出了合理解釋。

(3) 表觀擴(kuò)散系數(shù)對(duì)核素遷移程度影響的模擬分析

表觀擴(kuò)散系數(shù)是評(píng)價(jià)放射性核素在緩沖材料中遷移行為的重要參數(shù)之一[28]。因此，通過(guò)分析不同表觀擴(kuò)散系數(shù)下放射性核素在緩沖材料中的響應(yīng)特征，研究其對(duì)核素遷移的影響程度。

以緩沖材料B7ZP為研究對(duì)象，模擬分析不同表觀擴(kuò)散系數(shù)條件下(Da1=1.04×10-5m2/a，Da2=1.04×10-4m2/a，Da3=2.08×10-4m2/a，Da4=1.04×10-3m2/a，Da5=2.08×10-3m2/a)鍶在緩沖材料中遷移距離隨表觀擴(kuò)散系數(shù)Da變化特征，其數(shù)值模擬參數(shù)分別為：阻滯因子Rd=5.18，滲流速率v=1.58×10-4m/a，遷移時(shí)間t=1 000 a。

圖5為表觀擴(kuò)散系數(shù)對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響結(jié)果。由圖5可知，鍶在B7ZP中的遷移距離隨著表觀擴(kuò)散系數(shù)的增加而增大。當(dāng)表觀擴(kuò)散系數(shù)Da增加1個(gè)數(shù)量級(jí)，鍶在緩沖材料中的遷移距離則增加約3倍；當(dāng)表觀擴(kuò)散系數(shù)Da增大5倍時(shí)，鍶在緩沖材料中的遷移距離則增加約2倍；當(dāng)表觀擴(kuò)散系數(shù)Da增加2倍時(shí)，鍶在緩沖材料中的遷移距離則增加約1.5倍。這說(shuō)明表觀擴(kuò)散系數(shù)變化對(duì)核素遷移距離的影響比較大，核素在緩沖材料中遷移距離對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)變化響應(yīng)積極。相對(duì)滲流速率對(duì)核素遷移距離的影響而言，表觀擴(kuò)散系數(shù)是影響核素遷移程度的重要因素之一，這也與王榕樹(shù)等[29]對(duì)核素在地質(zhì)介質(zhì)中的遷移行為與表觀擴(kuò)散系數(shù)的作用是主要影響因素的結(jié)論相一致。因此，在開(kāi)發(fā)緩沖材料及其厚度設(shè)置時(shí)，要考慮表觀擴(kuò)散系數(shù)對(duì)核素遷移距離的影響，通過(guò)降低核素在緩沖材料中表觀擴(kuò)散系數(shù)比降低緩沖材料飽和滲透系數(shù)來(lái)提高對(duì)核素的阻滯性能更好且更合理。

1——Da1=1.04×10-5 m2/a，2——Da2=1.04×10-4 m2/a，3——Da3=2.08×10-4 m2/a，4——Da4=1.04×10-3 m2/a，5——Da5=2.08×10-3 m2/a圖5 表觀擴(kuò)散系數(shù)對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響Fig.5 Effect of apparent diffusion coefficient on migration distance of Sr in B7ZP type buffer material

(4) 阻滯因子對(duì)核素遷移程度影響的模擬分析

緩沖材料對(duì)核素的吸附作用使核素運(yùn)移的速率低于地下水流速，表現(xiàn)出對(duì)放射性核素遷移的延遲作用，而阻滯因子就是表征緩沖材料對(duì)核素阻滯能力的定量化參數(shù)。因此，阻滯因子是計(jì)算、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)放射性核素在緩沖材料中遷移程度的一個(gè)重要指標(biāo)。

以緩沖材料B7ZP為研究對(duì)象，模擬分析不同阻滯因子條件下(Rd1=1.05，Rd2=2.09，Rd3=5.18，Rd4=10.36和Rd5=20.72)鍶在緩沖材料中遷移程度隨阻滯因子Rd的變化特征，其數(shù)值模擬參數(shù)分別為：表觀擴(kuò)散系數(shù)Da=1.04×10-4m2/a，滲流速率v=1.58×10-4m/a，遷移時(shí)間t=1 000 a。

圖6為阻滯因子對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響結(jié)果。由圖6可知，鍶在緩沖材料中的遷移距離隨阻滯因子的增加而變短。當(dāng)Rd增大2倍時(shí)， 鍶在緩沖材料中的遷移距離則縮短約1.5倍，這說(shuō)明阻滯因子變化對(duì)核素遷移距離的影響比較大，也是影響核素遷移的重要因素。同樣，相對(duì)于滲流速率對(duì)核素遷移距離的影響而言，阻滯因子對(duì)鍶在緩沖材料中的遷移程度影響顯著，這與謝水波等[30]通過(guò)PHREEQC-Ⅱ軟件來(lái)模擬阻滯因子對(duì)核素在淺層地下水中遷移距離的影響結(jié)果相一致。因此，在開(kāi)發(fā)緩沖材料及其厚度設(shè)置時(shí)也要考慮阻滯因子的變化對(duì)核素遷移距離的影響。

1——Rd1=1.05，2——Rd2=2.09，3——Rd3=5.18，4——Rd4=10.36，5——Rd5=20.72圖6 阻滯因子對(duì)鍶在B7ZP緩沖材料中遷移程度的影響Fig.6 Effect of retardation factor on migration distance of Sr in B7ZP type buffer material

3 結(jié) 論

(1) 以新疆阿爾泰天然鈉基膨潤(rùn)土為基材，以新疆沸石和四川江油黃鐵礦作為添加劑，三者按照質(zhì)量比為63∶27∶10進(jìn)行混合構(gòu)成集成緩沖材料B7ZP，采用恒定源擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)方法對(duì)優(yōu)選集成緩沖材料B7ZP的擴(kuò)散特性進(jìn)行了分析，其表觀擴(kuò)散系數(shù)為3.30×10-12m2/s，并且其對(duì)鍶的阻滯性能優(yōu)于或相當(dāng)單一膨潤(rùn)土，表明B7ZP緩沖材料具有良好的阻滯性能。

(2) 以多孔介質(zhì)污染物遷移理論為基礎(chǔ)，建立了核素在飽和緩沖材料中的x方向一維對(duì)流-彌散-吸附的多場(chǎng)耦合遷移阻滯方程。

(3) 采用MATLAB軟件模擬分析了源項(xiàng)釋放后，不同時(shí)間尺度、滲流速率、表觀擴(kuò)散系數(shù)和阻滯因子對(duì)鍶在集成緩沖材料B7ZP中遷移距離的影響特征，結(jié)果表明：鍶在1 000 a遷移距離為0.6 m；滲流速率v≤10-4m/a時(shí)，制約核素的遷移距離的主要因素是表觀擴(kuò)散系數(shù)和阻滯因子，其遷移距離隨著表觀擴(kuò)散系數(shù)的增大而增加，隨阻滯因子的增大而減小；滲流速率增加到v≥10-3m/a時(shí)，評(píng)價(jià)核素在緩沖材料中遷移距離時(shí)不僅要考慮表觀擴(kuò)散系數(shù)和阻滯因子的影響，也要考慮滲流速率對(duì)核素遷移的作用。

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Long-Term Retardative Effect of Integrated Buffer Material to Strontium

WANG Zhe1,2, YI Fa-cheng1

1.Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

Buffer material was the last artificial barrier of high-level radioactive waste repository, and its retardation capability to radioactive nuclides would directly affect the security and stability of the repository system. Bentonite was a suitable mineral, which can be used to build an integrated buffer material because of low hydraulic conductivity, good swelling and sealing properties, plasticity and high sorption capacity. Bentonite-zeolite-pyrite type integrated buffer material was constituted by the bentonite-zeolite-pyrite weight ratio was 63∶27∶10 (abbreviated as B7ZP), that zeolite and pyrite were chosen as mineral additives. Then constant source diffusion experiment was carried out to investigate strontium diffusibility in B7ZP with initial dry density of 1.70 g/cm3. The experimental results indicate that B7ZP has good retardation capability for strontium, and the apparent diffusion coefficient of strontium is 3.3×10-12m2/s, smaller in B7ZP than in pure bentonite. The convection-diffusion-adsorption multi field coupling model for strontium migration was established based on the theory of porous media pollutant migration. MATLAB software was used to analyze migration distance of strontium in B7ZP under the condition of different time scales, seepage velocity, apparent diffusion coefficient and retardation factor. These research results can supply reference for usage of barrier materials and assessment of long-term retardation capability.

integrated buffer material; retardative effect; geological disposal of high level radioactive waste; strontium

2015-12-16；

2017-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402248)；四川省教育廳科研項(xiàng)目資助(16ZB0150)；非金屬?gòu)?fù)合與功能材料科技部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(11zxfk06)；核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目(13zxnk08)；核廢物與環(huán)境安全四川省協(xié)同創(chuàng)新中心預(yù)研基金資助項(xiàng)目(15yyhk03)；西南科技大學(xué)重點(diǎn)科研平臺(tái)專(zhuān)職科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目(14tdhk01)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(15ycx052，15ycx052)

王 哲(1979—)，男，吉林乾安人，講師，核廢物處理與處置專(zhuān)業(yè)，E-mail: wz2004@126.com

TL942

A

0253-9950(2017)03-0235-08

10.7538/hhx.2017.39.03.0235