水文地球化學在高放廢物處置庫選址中的應用

李江波

0 引言

如今,能源緊缺已經成為一個世界性的普遍問題。我國人口眾多,能源短缺對我國經濟發展的影響顯得尤為突出。為解決能源問題,各國都不約而同地將目光投向了核能的開發與利用。無論是核電站建設還是核設施退役,都會產生大量的放射性核廢物。對這些核廢物的安全處置,已經成為核科學研究領域內的一項重要課題,同時也成為核能源大力發展的嚴重障礙。在眾多處置方案中,高放廢物深地質處置是開發時間最長,也是最有希望投入應用的處置方案。地下處置的目的能否最終實現,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力學及化學特征有著極為密切的關系。處置庫選址中的水文地質工作,就是要查清預選區的地下水動力學及化學特征,為處置庫的最終確定提供依據[1]。

1 地下水對核素遷移的影響

高放廢物深地質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,同時以膨潤土緩沖回填材料和密封材料回填,即設置多重屏障以阻止放射性物質釋放、遷移和返回生物圈。地下處置庫場址能否最終確定,主要取決于核素在基巖中的遷移形式及遷移速率,而這種遷移將通過地下水的“載體”作用進入生物圈。因此,了解預選區的水文地質環境特征非常重要,同位素方法是查清地下水的來源、滯留時間和地下水循環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內,但無論如何也不能永遠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。核素從處置庫向生物圈遷移的過程可以設想為:首先,雖然處置庫一般建在地下水貧乏且滲透性很低的巖體中,但深度一般應在500 m～1000 m的地下深處,這個深度一般均屬于飽水帶,在處置庫運行初期,地下水將從周圍壓力較高的地區向處置硐室低壓區運動,而地下水最先接觸的將是回填材料。穿過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,于是便開始了水與固化體間的相互作用過程。固化體中的核素或溶于地下水,或以微粒的形態轉移到地下水中,同時,整個處置庫便達到完全飽水的程度,于是,處置庫硐室中的水壓力與圍巖體中的水壓力達到平衡狀態,從這一平衡點開始,地下水的運動將不再是由周圍巖體流向處置庫,而是開始由處置庫地區的地下水流場所控制。通常是由補給區流向排泄區,于是轉移到地下水中的核素便通過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回填層進入到地質介質,在天然屏障中開始了向生物圈遷移的過程[3]。

2 高放廢物處置庫選址中的水文地質問題

水文地質是場址選擇過程中一個非常重要的研究方面。因為在處置庫關閉和重新飽和地下水后,隨著時間的推移和地下水對工程屏障的侵蝕,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,在流動過程中又可能與水溶液中的某些化學成分發生化學反應,從而減緩核素遷移的速度,延長它們在地下水中滯留的時間。因此,地下水的流速、流向和化學成分等因素對核素返回生物圈的過程起著極其重要的影響和控制作用。因此,水文地質調查研究是處置庫場址選擇中十分重要的研究內容,其主要問題可以歸結為以下幾方面:1)鉆孔水文地質勘察、試驗和測試。2)水文地質參數的測定。3)水流數值模擬研究。4)水文地球化學模擬研究。5)地下水同位素、CFC、稀有氣體、膠體等研究[4]。

3 高放廢物處置庫選址中的水文地球化學問題

限制處置庫放射性核素釋放并進入生物圈的天然屏障是圍巖,其水文地球化學特性對核素的遷移具有較強的影響作用。其水文地球化學研究包括:巖石化學、地球化學、裂隙充填物質、水文地球化學模擬等。這些因素將直接影響到核素在巖石中的彌擴散、沉積、吸附、遷移等過程。目前開展的具體研究包括:1)研究巖體及巖體中的填隙礦物,如對石英、方解石等脈石礦物進行包裹體研究,確定古水文地球化學特征等。對巖體中的黏土礦物采用原位X衍射等方法進行研究,以確定黏土礦物的種類和含量等,為建立地球化學模型和模擬研究奠定基礎。對巖體及其填隙礦物和包裹體等進行同位素研究,包括U—Pb,B,Rb—Sr,Sm—Nd等,對充填礦物定年及確定古水熱活動特點、流體來源、演化等[5]。2)地下水—廢物—巖石相互作用研究。這方面的研究是場址預選區水文地球化學研究的重要內容,如在ASPO實驗室開展試驗的主要目的就是為了了解膨潤土在熱梯度和在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]的模擬計算結果顯示,花崗巖—膨潤土—地下水相互作用5年后會出現明顯的變形,膨潤土發生的陽離子交換作用是最重要的水文地球化學過程,此外方解石將起到pH緩沖劑的作用,而系統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)巖體地球化學體系封閉性研究。該方面的研究可以通過兩種方法實現: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模擬研究。該研究的理論基礎是化學平衡理論及質量守恒原理。目前,這種模擬研究主要解決兩個方面的問題:a.地下水化學成分本身所發生的作用,如絡合反應等;b.水—巖相互作用,如溶解、沉淀反應、離子交換反應等。水文地球化學模擬為計算水中元素的存在形式以及運移方式提供了有力的手段[8]。

4 結語

水文地質條件是確定高放廢物處置庫場址的重要因素之一,水文地球化學在高放廢物處置庫的選址與評價中的作用不言而喻。高放廢物地質處置是一項高科技的、涉及多學科的系統工程,面臨很多的問題與挑戰。高放廢物處置庫的選址一般多位于干旱少雨地區,而這些地區又不利于較好地開展水文地球化學研究工作,所以,如何更好地應用水文地球化學方法來服務于處置庫的選址與評價是我們今后工作的重點與方向,可以說,水文地球化學在高放廢物處置庫選址工作中的應用任重而道遠。

[1]WANG J,SU R,CHEN W M,et al.Deep geological disposal of high-level radioactive wastes in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(4):649-658.

[2]郭永海,劉淑芬,呂川河.高放廢物處置系統地下水同位素特征[J].地球學報,2005,24(6):525-528.

[3]郭永海,王 駒,金遠新.世界高放廢物地質處置庫選址研究概況及國內進展[J].地學前緣,2003(3):8-9.

[4]郭永海,王 駒.高放廢物地質處置中的地質、水文地質、地球化學關鍵科學問題[J].巖石力學與工程學報,2007(8):12.

[5]MEIJER A.Conceptual model of the controls on natural water chemistry at Yucca Mountain,Nevada[J].Applied Geochemistry,2002,17(6):793-805.

[6]ARCOS D,BRUNO J,KARNLAND O.Geochemical model of the granite-bentonite-groundwater interaction at Aspo HRL(LOT experiment)[J].Applied Clay Science,2003,23(1):219-228.

[7]張展適,周文斌,李滿根.水力壓裂處置中镎、钚遷移行為的模擬研究[J].原子能科學技術,2003,37(6):533-537.

[8]郭永海,劉淑芬,蘇 銳,等.高放廢物處置庫預選場地水文地球化學模擬[J].地質與勘探,2003(7):11.