吳曉東 許小薇

0 引言

高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)是人類利用自然地質(zhì)環(huán)境而設(shè)計(jì)、構(gòu)造的由工程屏障(engineering barrier)和地質(zhì)屏障(geosphere barrier)所組成的復(fù)合屏障系統(tǒng)(multibarrier system)，其目的是盡可能長(zhǎng)時(shí)間地阻隔放射性核素在系統(tǒng)內(nèi)的遷移。一般來說，高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)由處置庫、地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境與生物圈的接觸界面三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成［1］，其中，處置庫內(nèi)的工程屏障及處置庫周圍的地質(zhì)體所構(gòu)成的地質(zhì)屏障是阻止核素遷移的兩道主要屏障。在這樣的體系中，地質(zhì)屏障起著雙重作用。既保護(hù)源項(xiàng)，也保護(hù)生物圈。具體地說，它保護(hù)著工程屏障不被人類闖入，免受風(fēng)化作用;在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)為工程屏障提供和保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)環(huán)境;對(duì)高放廢物向生物圈遷移起滯留和稀釋作用［2］。同時(shí)，地質(zhì)屏障也是阻止高放廢物和生物圈直接接觸的最重要的屏障，其作用和重要性是不言而喻的。在高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)中，各屏障之間具有相互加強(qiáng)的作用，其中地質(zhì)屏障對(duì)于放射性核素長(zhǎng)期圈閉的作用至關(guān)重要。

1 地質(zhì)屏障的作用

當(dāng)工程屏障失效后，在近場(chǎng)地下水中存在高濃度的核素，這樣必然存在濃度梯度，核素在水力梯度的作用下向周圍的地質(zhì)介質(zhì)中遷移和擴(kuò)散。由于地下水化學(xué)性質(zhì)的差異和流經(jīng)巖性的不同，將發(fā)生不同程度的物理、化學(xué)作用，主要有沉淀作用、吸附作用、稀釋作用等。

1.1 對(duì)放射性核素的沉淀作用

在地質(zhì)屏障中的物化界面會(huì)伴隨著次生礦物的生成，放射性核素將在那里產(chǎn)生沉淀，這些沉淀也可阻塞孔隙，減小巖石的滲透率，從而對(duì)核素起到滯留作用。

1.2 對(duì)放射性核素的吸附作用

圍巖的主要成分在水溶液中羥基化，隨溶液的pH值的不同，固體表面上帶的H+或OH－量也不同，當(dāng)各種裂片核素的粒子隨地下水流經(jīng)圍巖孔隙時(shí)，便與之進(jìn)行程度不同的離子交換，形成巖石孔隙表面對(duì)核素的吸附。

1.3 對(duì)放射性核素的稀釋作用

由于彌散作用使得一部分核素向巖體中遷移，使得含有放射性核素的地下水溶液濃度降低，從而起到稀釋的作用。

2 放射性核素在地質(zhì)屏障中的遷移機(jī)理

2.1 分子擴(kuò)散

分子擴(kuò)散是由于地下水中所含放射性核素濃度的不均勻而引起的一種溶質(zhì)遷移現(xiàn)象，即由濃度較高的近場(chǎng)向濃度較低的遠(yuǎn)場(chǎng)遷移。當(dāng)溫度、壓力一定時(shí)，可用斐克濃度梯度定律來描述，即:

其中，Im為擴(kuò)散量;grad為梯度;C為溶液中核素的濃度;Dm為分子擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 機(jī)械彌散

當(dāng)含有放射性核素的地下水溶液在裂隙介質(zhì)中遷移時(shí)，固相與液相之間的相互作用是非常復(fù)雜的，而由于孔隙系統(tǒng)的存在，使得任意孔隙橫斷面上的流速分布，其大小和方向都是不同的，一般可分為以下三種情況:

1)由于液體粘性的作用和結(jié)合水的摩擦阻力，使得靠近孔隙壁的水流速度趨于零。孔隙中心部位流速最大。

2)孔隙大小不一，造成不同孔隙之間沿軸部的最大流速有差異。

3)由于空隙的彎彎曲曲，水流方向也隨之不斷地改變。

上述三種情況是引起機(jī)械彌散的原因。其中，質(zhì)點(diǎn)流速的不一樣及不同孔隙中地下水質(zhì)點(diǎn)的實(shí)際流速的差異產(chǎn)生了縱向機(jī)械彌散，而固體骨架的阻擋作用產(chǎn)生了橫向機(jī)械彌散。

2.3 滲流彌散

當(dāng)從宏觀角度考慮時(shí)，核素隨著水流一起遷移。這時(shí)，核素滲流遷移的數(shù)量與核素的濃度和遷移介質(zhì)(地下水)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，可用下式［3］表示:

其中，Ik為核素對(duì)流遷移量;C為核素在地下水中的濃度;v為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)(地下水)的平均流速。

2.4 放射性衰變

放射性核素在遷移的過程中會(huì)不斷地隨著時(shí)間發(fā)生衰變，從而自動(dòng)降低它的濃度。其衰減的變化規(guī)律［4］為:

其中，λ0為放射性核素的衰變速率常數(shù)，1/s;C0，C分別為放射性核素在t=0，t=t時(shí)的濃度。

3 世界各國對(duì)地質(zhì)屏障圍巖類型的選擇

多年來，世界各國對(duì)可能的圍巖類型進(jìn)行了大量的研究，通過分析對(duì)比，認(rèn)為花崗巖、粘土、鹽巖的巖性是比較適合的。當(dāng)然，一個(gè)國家最終選擇什么類型的巖石作為處置庫圍巖，還要根據(jù)本國的地質(zhì)條件和國情而定(見表1)。

但理想的核廢物地質(zhì)處置介質(zhì)都應(yīng)具備以下特征:

1)巖石的空隙度小，滲透系數(shù)低;

2)裂隙少;

3)具有較強(qiáng)的離子交換性能;

4)良好的導(dǎo)熱性能;

5)具有較強(qiáng)的抗輻射性能;

6)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度;

7)在水中的溶解度極小(鹽巖例外);

8)巖體的體積足夠大。

表1 一些國家高放廢物處置庫選擇的圍巖類型［5］

其中花崗巖作為核廢物處置的主巖，具有分布廣、巖石質(zhì)量均一、含水性小、機(jī)械強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好、抗輻射性能好和對(duì)核素阻滯性強(qiáng)等特點(diǎn)。鹽巖作為處置庫主巖，具有含水性極低、滲透系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、有一定吸附性的能力、容易施工等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是抗輻射性能不強(qiáng)。粘土具有透水性差、可塑性好、對(duì)放射性核素有較好的吸附能力和較強(qiáng)的粒子交換能力等特點(diǎn)。

我國地域遼闊，適宜于處置庫建造的地質(zhì)環(huán)境、巖石類型繁多，因此，在圍巖選擇中具有很大的回旋地。通過多年研究和對(duì)比，現(xiàn)已確定以花崗巖作為我國高放廢物處置庫的圍巖。

4 遷移對(duì)地質(zhì)屏障的影響

在處置庫關(guān)閉后的長(zhǎng)時(shí)間尺度(要求的安全期至少是1萬年)和空間跨度下，放射性核素在進(jìn)入生物圈之前會(huì)存在一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。在這期間，復(fù)雜的耦合作用會(huì)破壞工程屏障和地質(zhì)屏障，因此在高放廢物深地質(zhì)處置中對(duì)多場(chǎng)耦合的研究具有重要的地位。

1)在對(duì)高放廢物處置的過程中，由于放射性同位素衰變，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。作為地質(zhì)屏障的圍巖介質(zhì)的溫度會(huì)隨之升高，這就引起介質(zhì)的膨脹或收縮并產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)介質(zhì)中裂隙張閉變形和巖石滲透率的變化，影響機(jī)械性質(zhì)。

2)高放廢物是多種放射性核素的混合物，在遷移過程中會(huì)伴隨著多種復(fù)雜的地球化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的礦物。這會(huì)改變巖石的滲透性，同時(shí)影響巖體的強(qiáng)度和完整性。

3)由于水巖作用不僅使地下水的化學(xué)成分發(fā)生了很大的變化，也導(dǎo)致巖石的礦物成分發(fā)生變化，生成新礦物，與此同時(shí)本身的質(zhì)量也發(fā)生變化。

5 結(jié)語

高放廢物地質(zhì)處置是一項(xiàng)高科技的、涉及學(xué)科眾多的、耗資巨大的系統(tǒng)工程，需要付出幾代人的艱苦努力，需要克服許多地質(zhì)科學(xué)的難關(guān)［6］。就其中的地質(zhì)工作而言，選擇合適的場(chǎng)址和設(shè)計(jì)一個(gè)安全有效的地質(zhì)屏障是建立高放廢物處置庫的基本挑戰(zhàn)。地質(zhì)屏障是阻滯核素遷移到生物圈的重要屏障，其安全與否直接關(guān)系到人類子孫后代的發(fā)展。也正因?yàn)槿绱?，?duì)地質(zhì)屏障的對(duì)比研究在高放廢物處置中占有十分重要的地位。

［1］OECD/NEA.Lessons learnt from ten performance assessment studies［R］.Paris，F(xiàn)rance:OECD/NEA，1991.

［2］郭永海，王 駒.高放廢物深地質(zhì)處置及國內(nèi)研究進(jìn)展［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(1):63-67.

［3］史維浚，孫占學(xué).應(yīng)用水文地球化學(xué)［M］.北京:原子能出版社，2005.

［4］劉曉麗，梁 冰，薛 強(qiáng).地下水環(huán)境中有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力模型的研究［J］.工程勘察，2003(1):24-28.

［5］P.A.Witherspoon，G.S.Bodvarsson.Geological challenges in radioactive waste isolation-Third worldwide review［R］.2001.

［6］郭永海，呂川河.高放廢物處置庫選址中低滲透介質(zhì)地質(zhì)研究的幾個(gè)問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003，11(2):133-137.