地质屏障在高放废物处置中的初步研究

吴晓东 许小薇

0 引言

高放废物地质处置系统是人类利用自然地质环境而设计、构造的由工程屏障(engineering barrier)和地质屏障(geosphere barrier)所组成的复合屏障系统(multibarrier system)，其目的是尽可能长时间地阻隔放射性核素在系统内的迁移。一般来说，高放废物地质处置系统由处置库、地质环境及地质环境与生物圈的接触界面三个子系统构成［1］，其中，处置库内的工程屏障及处置库周围的地质体所构成的地质屏障是阻止核素迁移的两道主要屏障。在这样的体系中，地质屏障起着双重作用。既保护源项，也保护生物圈。具体地说，它保护着工程屏障不被人类闯入，免受风化作用;在相当长的地质时期内为工程屏障提供和保持稳定的物理和化学环境;对高放废物向生物圈迁移起滞留和稀释作用［2］。同时，地质屏障也是阻止高放废物和生物圈直接接触的最重要的屏障，其作用和重要性是不言而喻的。在高放废物地质处置系统中，各屏障之间具有相互加强的作用，其中地质屏障对于放射性核素长期圈闭的作用至关重要。

1 地质屏障的作用

当工程屏障失效后，在近场地下水中存在高浓度的核素，这样必然存在浓度梯度，核素在水力梯度的作用下向周围的地质介质中迁移和扩散。由于地下水化学性质的差异和流经岩性的不同，将发生不同程度的物理、化学作用，主要有沉淀作用、吸附作用、稀释作用等。

1.1 对放射性核素的沉淀作用

在地质屏障中的物化界面会伴随着次生矿物的生成，放射性核素将在那里产生沉淀，这些沉淀也可阻塞孔隙，减小岩石的渗透率，从而对核素起到滞留作用。

1.2 对放射性核素的吸附作用

围岩的主要成分在水溶液中羟基化，随溶液的pH值的不同，固体表面上带的H+或OH－量也不同，当各种裂片核素的粒子随地下水流经围岩孔隙时，便与之进行程度不同的离子交换，形成岩石孔隙表面对核素的吸附。

1.3 对放射性核素的稀释作用

由于弥散作用使得一部分核素向岩体中迁移，使得含有放射性核素的地下水溶液浓度降低，从而起到稀释的作用。

2 放射性核素在地质屏障中的迁移机理

2.1 分子扩散

分子扩散是由于地下水中所含放射性核素浓度的不均匀而引起的一种溶质迁移现象，即由浓度较高的近场向浓度较低的远场迁移。当温度、压力一定时，可用斐克浓度梯度定律来描述，即:

其中，Im为扩散量;grad为梯度;C为溶液中核素的浓度;Dm为分子扩散系数。

2.2 机械弥散

当含有放射性核素的地下水溶液在裂隙介质中迁移时，固相与液相之间的相互作用是非常复杂的，而由于孔隙系统的存在，使得任意孔隙横断面上的流速分布，其大小和方向都是不同的，一般可分为以下三种情况:

1)由于液体粘性的作用和结合水的摩擦阻力，使得靠近孔隙壁的水流速度趋于零。孔隙中心部位流速最大。

2)孔隙大小不一，造成不同孔隙之间沿轴部的最大流速有差异。

3)由于空隙的弯弯曲曲，水流方向也随之不断地改变。

上述三种情况是引起机械弥散的原因。其中，质点流速的不一样及不同孔隙中地下水质点的实际流速的差异产生了纵向机械弥散，而固体骨架的阻挡作用产生了横向机械弥散。

2.3 渗流弥散

当从宏观角度考虑时，核素随着水流一起迁移。这时，核素渗流迁移的数量与核素的浓度和迁移介质(地下水)的运动速度有关，可用下式［3］表示:

其中，Ik为核素对流迁移量;C为核素在地下水中的浓度;v为运动介质(地下水)的平均流速。

2.4 放射性衰变

放射性核素在迁移的过程中会不断地随着时间发生衰变，从而自动降低它的浓度。其衰减的变化规律［4］为:

其中，λ0为放射性核素的衰变速率常数，1/s;C0，C分别为放射性核素在t=0，t=t时的浓度。

3 世界各国对地质屏障围岩类型的选择

多年来，世界各国对可能的围岩类型进行了大量的研究，通过分析对比，认为花岗岩、粘土、盐岩的岩性是比较适合的。当然，一个国家最终选择什么类型的岩石作为处置库围岩，还要根据本国的地质条件和国情而定(见表1)。

但理想的核废物地质处置介质都应具备以下特征:

1)岩石的空隙度小，渗透系数低;

2)裂隙少;

3)具有较强的离子交换性能;

4)良好的导热性能;

5)具有较强的抗辐射性能;

6)具有一定的机械强度;

7)在水中的溶解度极小(盐岩例外);

8)岩体的体积足够大。

表1 一些国家高放废物处置库选择的围岩类型［5］

其中花岗岩作为核废物处置的主岩，具有分布广、岩石质量均一、含水性小、机械强度大、导热性好、抗辐射性能好和对核素阻滞性强等特点。盐岩作为处置库主岩，具有含水性极低、渗透系数小、导热性好、有一定吸附性的能力、容易施工等优点，但缺点是抗辐射性能不强。粘土具有透水性差、可塑性好、对放射性核素有较好的吸附能力和较强的粒子交换能力等特点。

我国地域辽阔，适宜于处置库建造的地质环境、岩石类型繁多，因此，在围岩选择中具有很大的回旋地。通过多年研究和对比，现已确定以花岗岩作为我国高放废物处置库的围岩。

4 迁移对地质屏障的影响

在处置库关闭后的长时间尺度(要求的安全期至少是1万年)和空间跨度下，放射性核素在进入生物圈之前会存在一系列复杂的物理、化学过程。在这期间，复杂的耦合作用会破坏工程屏障和地质屏障，因此在高放废物深地质处置中对多场耦合的研究具有重要的地位。

1)在对高放废物处置的过程中，由于放射性同位素衰变，会产生大量的热量。作为地质屏障的围岩介质的温度会随之升高，这就引起介质的膨胀或收缩并产生热应力，引发介质中裂隙张闭变形和岩石渗透率的变化，影响机械性质。

2)高放废物是多种放射性核素的混合物，在迁移过程中会伴随着多种复杂的地球化学反应，产生新的矿物。这会改变岩石的渗透性，同时影响岩体的强度和完整性。

3)由于水岩作用不仅使地下水的化学成分发生了很大的变化，也导致岩石的矿物成分发生变化，生成新矿物，与此同时本身的质量也发生变化。

5 结语

高放废物地质处置是一项高科技的、涉及学科众多的、耗资巨大的系统工程，需要付出几代人的艰苦努力，需要克服许多地质科学的难关［6］。就其中的地质工作而言，选择合适的场址和设计一个安全有效的地质屏障是建立高放废物处置库的基本挑战。地质屏障是阻滞核素迁移到生物圈的重要屏障，其安全与否直接关系到人类子孙后代的发展。也正因为如此，对地质屏障的对比研究在高放废物处置中占有十分重要的地位。

［1］OECD/NEA.Lessons learnt from ten performance assessment studies［R］.Paris，France:OECD/NEA，1991.

［2］郭永海，王 驹.高放废物深地质处置及国内研究进展［J］.工程地质学报，2000，8(1):63-67.

［3］史维浚，孙占学.应用水文地球化学［M］.北京:原子能出版社，2005.

［4］刘晓丽，梁 冰，薛 强.地下水环境中有机污染物迁移转化动力模型的研究［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，吕川河.高放废物处置库选址中低渗透介质地质研究的几个问题［J］.工程地质学报，2003，11(2):133-137.