鄧曉穎 庹先國

（1.核工業(yè)地質(zhì)局 西藏地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610016；2.西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010）

Pu 作為高放射性廢物中的一種典型的核素，一直是放射性核素遷移工作中研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。放射性核素遷移的研究是地質(zhì)環(huán)境保護(hù)中最關(guān)心的問題，它主要研究放射性核素在工程屏障以及天然屏障中的吸附、遷移及擴(kuò)散行為，可以為地下實(shí)驗(yàn)室的建立和放射性廢物處置，提供重要依據(jù)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]。

本文采用動態(tài)試驗(yàn)法-循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)來探討Pu 在板巖與粘土中的遷移。循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)是具有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法特性的一種實(shí)驗(yàn)室研究核素遷移的方法[3-5]。利用該裝置可以直接測量液相和固相的放射性活度，從而計(jì)算吸附比，還可以研究核素在柱中遷移的分布狀態(tài)以及各種因素(如酸度、濃度、粒度、有機(jī)質(zhì)等)對核素遷移過程的影響。循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)方法是介于動態(tài)與靜態(tài)之間的一種值得探索的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

動態(tài)吸附法，關(guān)鍵是吸附分配系數(shù)Kd 值。吸附分配系數(shù)是固相中核素濃度與溶液中核素濃度之比，即[6]：

其中，Ca為固相中活度，cpm；Cb為液相中活度，cpm；V 為液相體積，ml；W 為吸附介質(zhì)質(zhì)量，g。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出粘土（板巖）柱，放置數(shù)日，然后每1cm 則解體切割、稱重、測量。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)介質(zhì)粘土或板巖(60—120 目)填充在35mm×120mm 的有機(jī)玻璃柱中（玻璃注射器），吸附介質(zhì)的填充高度為100mm，裝置示意圖如圖1。

圖1 動態(tài)遷移實(shí)驗(yàn)柱裝置Fig.1 Dynamic migration experimental column device

實(shí)驗(yàn)方法：將裝好的土柱安裝在實(shí)驗(yàn)柱中壓實(shí)，聯(lián)接所有管路接頭，放置24h，加入200ml 的地下水，在系統(tǒng)中循環(huán)檢漏。在確認(rèn)無漏時，運(yùn)行5 個小時待流量穩(wěn)定后，排出循環(huán)水，測量其體積。往實(shí)驗(yàn)柱中一次性注入1ml 钚標(biāo)液（600Bq/ml），開啟循環(huán)泵，調(diào)節(jié)流量計(jì)。每天取樣（24 小時取一次）監(jiān)測循環(huán)液的活度變化，直到分析數(shù)據(jù)基本不變?yōu)橹?。水樣測量用φ20mm 不銹鋼測量盤取0.5ml，紅外線紅線烘干后進(jìn)行測量。本文板巖柱的流速為18ml/小時，土壤柱的流速為2.5ml/小時流。

1.3 儀器與試劑

Multi Low Level Counter(FHT 770T，Thermo)；LD4—2A 型離心機(jī)；紅外線干燥箱；艾柯實(shí)驗(yàn)室超純化水機(jī)；回旋水浴恒溫振蕩器。

239Pu(NO3)4溶液(400 Bq/mL，中國工程物理研究院提供)；實(shí)驗(yàn)用粘土與板巖均采自中國四川西南某地區(qū)，其化學(xué)成分見表1。

表1 巖石與土壤的主要化學(xué)成分（μg/g）Tab.1 The chemical composition of Rock and soil (μg/g)

2 結(jié)果與討論

2.1 時間對Pu 在粘土與板巖中吸附的影響

圖2 時間對钚在粘土與板巖中吸附的影響Fig.2 Effect of time on adsorption of Pu in rock and soil

從圖2 中可以看出，板巖與粘土的吸附分配系數(shù)Kd 值隨時間逐漸減小，但未達(dá)平衡。粘土的吸附分配比要遠(yuǎn)大于板巖的吸附分配比，吸附分配比約是板巖中4 倍左右。這是因?yàn)榘鍘r柱中水流速度快，循環(huán)次數(shù)多，而粘土柱液相流速慢，循環(huán)次數(shù)少，還未充分反應(yīng)，且粘土礦物，利于吸附進(jìn)行，因此，粘土中吸附分配系數(shù)要比板巖中大。

2.2 循環(huán)柱解體測量

從圖3 可以看出，粘土和板巖中同一深度核素分布趨勢基本相同，钚在粘土中數(shù)值要稍大于板巖中的含量，可能是由于板巖循環(huán)柱中水流速度比板巖中快（板巖循環(huán)柱中水流速為粘土柱的7 倍），板巖柱中循環(huán)次數(shù)多。由此可以看出，流量變化是影響核素遷移的主要因素之一，在循環(huán)柱試驗(yàn)中要求流速穩(wěn)定。但實(shí)際上只能達(dá)到相對穩(wěn)定。究其原因，一是柱體結(jié)構(gòu)在長時間對流中有所變化，同時控制流速過程中，認(rèn)為因素干擾較大。

圖3 钚在循環(huán)柱中的深度核素分布圖Fig.3 Depth of nuclide distribution of Pu in circular column

表2 循環(huán)柱器壁吸附綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Column wall adsorption cycle comprehensive experimental results

2.3 循環(huán)柱器壁對Pu 吸附的影響

循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液相活度隨器壁吸附變化而變化。表2 可以看出，當(dāng)器壁吸附占注入量的74% 時，液相中Pu 核素殘留為11%；當(dāng)器壁吸附占34%時，液相中Pu 核素殘留為56%。結(jié)果表明，當(dāng)忽略吸附介質(zhì)的吸附時，吸附主要與器壁吸附的大小有關(guān)。器壁吸附越小，液相活度越高。因此，對循環(huán)柱而言，器壁吸附使吸附分配系數(shù)Kd 增大，從而表明器壁吸附對Pu 在板巖與粘土吸附比的影響在循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)中是很大的，以后實(shí)驗(yàn)要對容器進(jìn)行篩選，以降低容器器壁吸附對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 結(jié)論

循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)過程無須液固相分離，是直接測量固相及液相活度，計(jì)算其吸附分配比的簡便易行的實(shí)驗(yàn)方法。

3.1 循環(huán)柱實(shí)驗(yàn)雖然都未達(dá)到吸附平衡，但在粘土中分配系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石中分配系數(shù)，約是板巖中2 倍左右。主要因?yàn)檎惩林泻喾N礦物成分，所以吸附性較強(qiáng)。板巖的吸附比小于粘土的吸附比，是因?yàn)榘鍘r中無粘土成分。

3.2 玻璃容器的器壁吸附十分顯著，在吸附實(shí)驗(yàn)中有需要對容器材料進(jìn)行篩選，以降低容器壁的吸附量，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.3 粘土和板巖中同一深度核素分布趨勢基本相同，且钚在粘土中數(shù)值要稍大于板巖中的含量，可能是由于板巖循環(huán)柱中水流速度比板巖中快（板巖循環(huán)柱中水流速為粘土柱的7 倍），板巖柱中循環(huán)次數(shù)多。因此，流量變化是影響核素遷移的主要因素之一。

［1］章英杰，范顯華.Pu 在地質(zhì)環(huán)境中化學(xué)行為的研究進(jìn)展[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2006，28(4):193-206.

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