于 靜，司高華，張瑞榮，周 旭，黃云貴，李 哲

1.清華大學(xué)，北京 100084；2.西北核技術(shù)研究所，西安 710024

在放射性廢物處置活動(dòng)中，對(duì)處置庫(kù)的安全評(píng)估非常重要。安全評(píng)估中的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是重要或關(guān)鍵放射性核素在處置庫(kù)周圍介質(zhì)中的遷移參數(shù)。因此,研究各種放射性核素在不同屏障材料和地質(zhì)體中的吸附、滯留、彌散行為具有重要意義。有關(guān)放射性核素在有關(guān)地質(zhì)體中的遷移行為及其影響因素的研究已成為當(dāng)今世界很多國(guó)家積極開展的熱門課題之一。使用放射性示蹤劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅在操作上比較困難,而且必須具備必要的防護(hù)措施。而用穩(wěn)定元素代替放射性核素開展研究，可使實(shí)驗(yàn)程序大為簡(jiǎn)化，其研究結(jié)果對(duì)于研究放射性核素的遷移行為具有參考意義。目前研究放射性核素遷移行為的室內(nèi)試驗(yàn)方法主要有批式法、擴(kuò)散池法、柱法等[1-9]。本工作主要采用柱法模擬實(shí)驗(yàn)研究穩(wěn)定元素Sr在沙土中的遷移行為，用惰性示蹤劑Br確定模擬土柱中的水流情況，分析不同入滲水量對(duì)Sr遷移的影響，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

二氧化硅、溴化鈉，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；氯化鍶，分析純，天津市博迪化工有限公司。

DIONEX ICS-1500 離子色譜儀，美國(guó)戴安公司；PSFO 2.0型ICP-AES，美國(guó)Leeman公司；LSP10-1B注射泵、BT100-1L蠕動(dòng)泵，保定蘭格恒流泵有限公司；BSZ-40自動(dòng)部分收集器，上海青浦滬西儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由噴淋器、實(shí)驗(yàn)土柱、出水口、集液器等組成，其流程示意圖示于圖1。實(shí)驗(yàn)土柱管由有機(jī)玻璃制成，柱子底部有孔板及聚酯纖維濾膜，可過水并且防止土壤流失。噴淋量由蠕動(dòng)泵控制。流出液由自動(dòng)收集器分步收集。為減小局部流效應(yīng)和彌散效應(yīng)，柱尺寸滿足條件：L≥4d、d≥(30～40)r′，其中，L為柱高度，cm；d為柱直徑，cm；r′為孔隙介質(zhì)的顆粒直徑，cm。

圖1 柱實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

(2) 示蹤源的制備

取SrC12·6H2O 約100 g，溶于250 mL蒸餾水中，制成Sr儲(chǔ)備液。取NaBr 66 g，溶于1 000 mL蒸餾水中，制成Br儲(chǔ)備液。稱取分析純石英砂250 g，置于1 000 mL燒杯中，分別加入Sr和Br的儲(chǔ)備液105 mL和50 mL，充分?jǐn)嚢杈鶆?，并風(fēng)干至質(zhì)量含水量約為3%，制成示蹤源。

(3) 土樣的采集與處理

沙采集于西北地區(qū)某湖岸邊，將其風(fēng)干后篩分，取粒徑為0.25～0.50 mm的中沙裝填柱體。中沙裝填后容重為1.42 g/cm3。

(4) 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

土柱中水流的速度穩(wěn)定后，將1—8號(hào)柱上端回填約0.8 cm厚的示蹤源層，上端再覆蓋0.5 mm厚的沙土后，進(jìn)行持續(xù)噴淋實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件列于表1。

表1 柱法實(shí)驗(yàn)條件

采用離子色譜測(cè)定流出液中Br的濃度，原子發(fā)射光譜測(cè)定Sr的濃度，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制流出曲線。令t0.16、t0.5和t0.84分別表示取樣點(diǎn)x=L(柱高度)處的核素流出相對(duì)質(zhì)量m(t)/m0達(dá)到0.16、0.5和0.84時(shí)的時(shí)間，則核素遷移速度v′可按下式計(jì)算[10]：

(1)

核素的彌散系數(shù)D′可按下式計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中，Dz為水動(dòng)力彌散系數(shù)，v為土壤中水的孔隙流速(即水流速度，等于Br-的遷移速度[11])，Rd為阻滯系數(shù)，Q為截面過水量(單位時(shí)間內(nèi)在土柱下端收集的水量，即入滲率)，ε為有效孔隙率，A為過水截面面積。

(5) 理論計(jì)算

CXTFIT是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的計(jì)算程序，該程序以對(duì)流-彌散方程(CDE)為基礎(chǔ)，根據(jù)溶質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和土壤理化性質(zhì)確定溶質(zhì)的吸附模型(線性平衡、線性非平衡、兩點(diǎn)、兩區(qū)、隨機(jī))，設(shè)定不同初始邊界和產(chǎn)率，預(yù)測(cè)溶質(zhì)隨時(shí)間或空間的分布[12-13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖石組分分析

沙礦物組成列于表2。從表2可知，沙中粘粒礦物伊利石和綠泥石的總含量為4%，石英、長(zhǎng)石等含量比較高。

2.2 Sr和Br的柱法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1—8號(hào)柱Sr、Br流出曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和CXTFIT程序模擬計(jì)算結(jié)果示于圖2。從圖2可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與1—8號(hào)柱流出液中Sr、Br濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，Sr、Br濃度峰流出時(shí)間相同，隨入滲率減小濃度峰出現(xiàn)時(shí)間增大。

表2 樣品礦物含量

(a)——No.1，(b)——No.2，(c)——No.3，(d)——No.4，(e)——No.5，(f)——No.6，(g)——No.7，(h)——No.8點(diǎn)線(Dot line)——計(jì)算值(Calculation)，實(shí)線(Line)——擬合曲線(Simulation)

根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算核素遷移速度v′及彌散系數(shù)D′，再根據(jù)式(3)和(4)計(jì)算有效孔隙度ε和阻滯系數(shù)Rd，計(jì)算結(jié)果列于表3，根據(jù)表3作圖，結(jié)果示于圖3和4。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)

1——v′(Sr)，2——v′(Br)，3——D′(Sr)，4——D′(Br)

■——Rd，▲——ε

由圖3可見，1—8號(hào)柱Sr、Br遷移速度和彌散系數(shù)隨入滲率增大而增大，并且呈如下線性關(guān)系：v′(Sr)=1.11Q-1.95，r=1.0；D′(Sr)=2.33Q+12.62，r=0.96；v′(Br)=1.08Q-0.44，r=1.0；D′(Br)=2.04Q+21.25，r=0.95；Sr的阻滯系數(shù)Rd=1，有效孔隙度ε≈0.13，不隨入滲率變化。

在入滲率為2～200 mL/d的范圍內(nèi)，水流速度v=Q/(Aε)，水流速度與入滲率為線性關(guān)系，由于吸附過程的總速率取決于擴(kuò)散速率，由于擴(kuò)散速率比較小，且沙對(duì)Sr的吸附能力小，所以Sr在隨水遷移的過程中，其在沙與水之間的吸附-解吸過程不能即時(shí)完成，需要一定時(shí)間，當(dāng)水流速率較大時(shí)，Sr在沙顆粒上未發(fā)生充分吸附-解吸過程就隨水流出，Sr的運(yùn)動(dòng)與水流同步，Sr、Br濃度峰流出時(shí)間相同，所以Sr的遷移速度與入滲率呈線性關(guān)系。阻滯系數(shù)Rd與分配系數(shù)Kd(表征地質(zhì)介質(zhì)對(duì)核素吸附能力的參數(shù))和ε有關(guān)，不隨入滲率變化，當(dāng)1—8號(hào)柱裝填相同的沙土，Kd和ε相同，Rd不變。

彌散系數(shù)D′通常與流速呈線性關(guān)系：D′=αv′+D0，D0為分子擴(kuò)散系數(shù)。由于柱尺寸相同，彌散度α相同，彌散系數(shù)是速度v′的函數(shù)，所以入滲率變化其隨之變化。

3 結(jié) 論

CXTFIT程序的對(duì)流-彌散化學(xué)吸附平衡模型可較好模擬核素在土柱中的運(yùn)移特性。隨著入滲率的增大，沙對(duì)核素的阻滯能力不變，核素在沙中的遷移速度和彌散系數(shù)增大，且與入滲率呈線性關(guān)系。

[1] 楊月娥,李洋,潘偉,等.穩(wěn)定元素Sr在土柱中的遷移[J].原子能科學(xué)技術(shù),2006,40(3):292-296.

[2] 李書紳,范智文,孫慶紅,等.237Np,238Pu,241Am和90Sr在中國(guó)和日本膨潤(rùn)土中遷移的野外試驗(yàn)[J].核化學(xué)與放射化學(xué),2006，28(1):11-15.

[3] 倪世偉,姚來根,趙英杰,等.60Co,85Sr和137Cs在黃土包氣帶中遷移的模擬實(shí)驗(yàn)[J].輻射防護(hù),2000,20(1-2):36-42.

[4] 李禎堂,陳式,王輝,等.85Sr,134Cs和60Co在黃土中吸附和遷移的研究[J].輻射防護(hù),2000,20(1-2):68-73.

[5] 王志明,李書紳,郭擇德,等.85Sr在黃土包氣帶中的遷移 [J].輻射防護(hù),2000,20(1-2):32-35.

[6] 楊勇,苑國(guó)琪,張東,等.90Sr,137Cs在某種包氣帶土壤中的遷移研究[J].四川環(huán)境,2004,23(3):85-89.

[7] 李利華,傅依備,周秀鵬,等.Sr,Cs在回填材料中的吸附與遷移研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),1998,32(1):76-82.

[8] 易發(fā)成,李玉香,唐蓉,等.礦物材料對(duì)核素Sr、Cs的吸附性能研究[J].中國(guó)礦業(yè),2004,13(12):67-70.

[9] Twining J R,Payne T E,Itakura T. Soil-Water Distribution Coefficients and Plant Transfer Factors for134Cs,85Sr and65Zn Under Field Conditions in Tropical Australia[J]. Environ Radioact,2004,71: 71-87.

[10]Parker J C,Genuchten V,Baeumer B. Flux-averaged and Volume-Averaged Concentrations in Continuum Approaches to Solute Transport[J]. Water Resources Research,1984,20: 866-872.

[11]王志明，郭謙，李書紳.水流速度對(duì)鍶遷移速度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2003,27(4):320-324.

[12]張丹蓉,A.MERMOUD,管儀慶.莠去津在填充土柱中的運(yùn)移[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(5):525-529.

[13]陳效民,劉德輝.農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮垂直運(yùn)移參數(shù)的確定[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(3):26-29.