水文地球化學(xué)在高放廢物處置庫(kù)選址中的應(yīng)用

李江波

0 引言

如今,能源緊缺已經(jīng)成為一個(gè)世界性的普遍問(wèn)題。我國(guó)人口眾多,能源短缺對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響顯得尤為突出。為解決能源問(wèn)題,各國(guó)都不約而同地將目光投向了核能的開(kāi)發(fā)與利用。無(wú)論是核電站建設(shè)還是核設(shè)施退役,都會(huì)產(chǎn)生大量的放射性核廢物。對(duì)這些核廢物的安全處置,已經(jīng)成為核科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要課題,同時(shí)也成為核能源大力發(fā)展的嚴(yán)重障礙。在眾多處置方案中,高放廢物深地質(zhì)處置是開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng),也是最有希望投入應(yīng)用的處置方案。地下處置的目的能否最終實(shí)現(xiàn),主要將取決于核素在基巖中的遷移形式及遷移速率,而這種遷移與地下水的動(dòng)力學(xué)及化學(xué)特征有著極為密切的關(guān)系。處置庫(kù)選址中的水文地質(zhì)工作,就是要查清預(yù)選區(qū)的地下水動(dòng)力學(xué)及化學(xué)特征,為處置庫(kù)的最終確定提供依據(jù)[1]。

1 地下水對(duì)核素遷移的影響

高放廢物深地質(zhì)處置的基本概念是把玻璃固化后的核廢物裝入容器,再將其置入地下深部的基巖硐室中,同時(shí)以膨潤(rùn)土緩沖回填材料和密封材料回填,即設(shè)置多重屏障以阻止放射性物質(zhì)釋放、遷移和返回生物圈。地下處置庫(kù)場(chǎng)址能否最終確定,主要取決于核素在基巖中的遷移形式及遷移速率,而這種遷移將通過(guò)地下水的“載體”作用進(jìn)入生物圈。因此,了解預(yù)選區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境特征非常重要,同位素方法是查清地下水的來(lái)源、滯留時(shí)間和地下水循環(huán)交替特征的一種有效手段[2]。

雖然玻璃固化體中的核素封閉于多重屏障系統(tǒng)內(nèi),但無(wú)論如何也不能永遠(yuǎn)地阻止核素向生物圈遷移。一旦工程屏障損壞,核素就將隨地下水一起向生物圈遷移。核素從處置庫(kù)向生物圈遷移的過(guò)程可以設(shè)想為:首先,雖然處置庫(kù)一般建在地下水貧乏且滲透性很低的巖體中,但深度一般應(yīng)在500 m～1000 m的地下深處,這個(gè)深度一般均屬于飽水帶,在處置庫(kù)運(yùn)行初期,地下水將從周?chē)鷫毫^高的地區(qū)向處置硐室低壓區(qū)運(yùn)動(dòng),而地下水最先接觸的將是回填材料。穿過(guò)回填層的水隨后將與廢物容器接觸,一旦容器破損或腐蝕,地下水便直接與玻璃固化體接觸,于是便開(kāi)始了水與固化體間的相互作用過(guò)程。固化體中的核素或溶于地下水,或以微粒的形態(tài)轉(zhuǎn)移到地下水中,同時(shí),整個(gè)處置庫(kù)便達(dá)到完全飽水的程度,于是,處置庫(kù)硐室中的水壓力與圍巖體中的水壓力達(dá)到平衡狀態(tài),從這一平衡點(diǎn)開(kāi)始,地下水的運(yùn)動(dòng)將不再是由周?chē)鷰r體流向處置庫(kù),而是開(kāi)始由處置庫(kù)地區(qū)的地下水流場(chǎng)所控制。通常是由補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū),于是轉(zhuǎn)移到地下水中的核素便通過(guò)破損的容器沿水流方向返回到回填層中。在回填層中,某些核素被吸附或沉淀,但回填材料的吸附容量是有限的,不久核素將隨地下水穿過(guò)回填層進(jìn)入到地質(zhì)介質(zhì),在天然屏障中開(kāi)始了向生物圈遷移的過(guò)程[3]。

2 高放廢物處置庫(kù)選址中的水文地質(zhì)問(wèn)題

水文地質(zhì)是場(chǎng)址選擇過(guò)程中一個(gè)非常重要的研究方面。因?yàn)樵谔幹脦?kù)關(guān)閉和重新飽和地下水后,隨著時(shí)間的推移和地下水對(duì)工程屏障的侵蝕,放射性核素最終都將溶于地下水中,并隨地下水向生物圈遷移。溶于地下水中的核素一方面隨水流遷移,另一方面,在流動(dòng)過(guò)程中又可能與水溶液中的某些化學(xué)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而減緩核素遷移的速度,延長(zhǎng)它們?cè)诘叵滤袦舻臅r(shí)間。因此,地下水的流速、流向和化學(xué)成分等因素對(duì)核素返回生物圈的過(guò)程起著極其重要的影響和控制作用。因此,水文地質(zhì)調(diào)查研究是處置庫(kù)場(chǎng)址選擇中十分重要的研究?jī)?nèi)容,其主要問(wèn)題可以歸結(jié)為以下幾方面:1)鉆孔水文地質(zhì)勘察、試驗(yàn)和測(cè)試。2)水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定。3)水流數(shù)值模擬研究。4)水文地球化學(xué)模擬研究。5)地下水同位素、CFC、稀有氣體、膠體等研究[4]。

3 高放廢物處置庫(kù)選址中的水文地球化學(xué)問(wèn)題

限制處置庫(kù)放射性核素釋放并進(jìn)入生物圈的天然屏障是圍巖,其水文地球化學(xué)特性對(duì)核素的遷移具有較強(qiáng)的影響作用。其水文地球化學(xué)研究包括:巖石化學(xué)、地球化學(xué)、裂隙充填物質(zhì)、水文地球化學(xué)模擬等。這些因素將直接影響到核素在巖石中的彌擴(kuò)散、沉積、吸附、遷移等過(guò)程。目前開(kāi)展的具體研究包括:1)研究巖體及巖體中的填隙礦物,如對(duì)石英、方解石等脈石礦物進(jìn)行包裹體研究,確定古水文地球化學(xué)特征等。對(duì)巖體中的黏土礦物采用原位X衍射等方法進(jìn)行研究,以確定黏土礦物的種類(lèi)和含量等,為建立地球化學(xué)模型和模擬研究奠定基礎(chǔ)。對(duì)巖體及其填隙礦物和包裹體等進(jìn)行同位素研究,包括U—Pb,B,Rb—Sr,Sm—Nd等,對(duì)充填礦物定年及確定古水熱活動(dòng)特點(diǎn)、流體來(lái)源、演化等[5]。2)地下水—廢物—巖石相互作用研究。這方面的研究是場(chǎng)址預(yù)選區(qū)水文地球化學(xué)研究的重要內(nèi)容,如在A(yíng)SPO實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展試驗(yàn)的主要目的就是為了了解膨潤(rùn)土在熱梯度和在NaCl,KCl和石膏,方解石,水泥等不同填隙物作用下的變形等,ARCOS D等[6]的模擬計(jì)算結(jié)果顯示,花崗巖—膨潤(rùn)土—地下水相互作用5年后會(huì)出現(xiàn)明顯的變形,膨潤(rùn)土發(fā)生的陽(yáng)離子交換作用是最重要的水文地球化學(xué)過(guò)程,此外方解石將起到pH緩沖劑的作用,而系統(tǒng)中方解石的溶解與沉淀取決于溶液中鈣的濃度及石膏等。3)巖體地球化學(xué)體系封閉性研究。該方面的研究可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn):a.采用鈾系不平衡判別;b.采用同位素體系判別[7]。4)巖體的水文地球化學(xué)模擬研究。該研究的理論基礎(chǔ)是化學(xué)平衡理論及質(zhì)量守恒原理。目前,這種模擬研究主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題:a.地下水化學(xué)成分本身所發(fā)生的作用,如絡(luò)合反應(yīng)等;b.水—巖相互作用,如溶解、沉淀反應(yīng)、離子交換反應(yīng)等。水文地球化學(xué)模擬為計(jì)算水中元素的存在形式以及運(yùn)移方式提供了有力的手段[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

水文地質(zhì)條件是確定高放廢物處置庫(kù)場(chǎng)址的重要因素之一,水文地球化學(xué)在高放廢物處置庫(kù)的選址與評(píng)價(jià)中的作用不言而喻。高放廢物地質(zhì)處置是一項(xiàng)高科技的、涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程,面臨很多的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。高放廢物處置庫(kù)的選址一般多位于干旱少雨地區(qū),而這些地區(qū)又不利于較好地開(kāi)展水文地球化學(xué)研究工作,所以,如何更好地應(yīng)用水文地球化學(xué)方法來(lái)服務(wù)于處置庫(kù)的選址與評(píng)價(jià)是我們今后工作的重點(diǎn)與方向,可以說(shuō),水文地球化學(xué)在高放廢物處置庫(kù)選址工作中的應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。

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[3]郭永海,王 駒,金遠(yuǎn)新.世界高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)選址研究概況及國(guó)內(nèi)進(jìn)展[J].地學(xué)前緣,2003(3):8-9.

[4]郭永海,王 駒.高放廢物地質(zhì)處置中的地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球化學(xué)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(8):12.

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