地質屏障在高放廢物處置中的初步研究

吳曉東 許小薇

0 引言

高放廢物地質處置系統是人類利用自然地質環境而設計、構造的由工程屏障(engineering barrier)和地質屏障(geosphere barrier)所組成的復合屏障系統(multibarrier system)，其目的是盡可能長時間地阻隔放射性核素在系統內的遷移。一般來說，高放廢物地質處置系統由處置庫、地質環境及地質環境與生物圈的接觸界面三個子系統構成［1］，其中，處置庫內的工程屏障及處置庫周圍的地質體所構成的地質屏障是阻止核素遷移的兩道主要屏障。在這樣的體系中，地質屏障起著雙重作用。既保護源項，也保護生物圈。具體地說，它保護著工程屏障不被人類闖入，免受風化作用;在相當長的地質時期內為工程屏障提供和保持穩定的物理和化學環境;對高放廢物向生物圈遷移起滯留和稀釋作用［2］。同時，地質屏障也是阻止高放廢物和生物圈直接接觸的最重要的屏障，其作用和重要性是不言而喻的。在高放廢物地質處置系統中，各屏障之間具有相互加強的作用，其中地質屏障對于放射性核素長期圈閉的作用至關重要。

1 地質屏障的作用

當工程屏障失效后，在近場地下水中存在高濃度的核素，這樣必然存在濃度梯度，核素在水力梯度的作用下向周圍的地質介質中遷移和擴散。由于地下水化學性質的差異和流經巖性的不同，將發生不同程度的物理、化學作用，主要有沉淀作用、吸附作用、稀釋作用等。

1.1 對放射性核素的沉淀作用

在地質屏障中的物化界面會伴隨著次生礦物的生成，放射性核素將在那里產生沉淀，這些沉淀也可阻塞孔隙，減小巖石的滲透率，從而對核素起到滯留作用。

1.2 對放射性核素的吸附作用

圍巖的主要成分在水溶液中羥基化，隨溶液的pH值的不同，固體表面上帶的H+或OH－量也不同，當各種裂片核素的粒子隨地下水流經圍巖孔隙時，便與之進行程度不同的離子交換，形成巖石孔隙表面對核素的吸附。

1.3 對放射性核素的稀釋作用

由于彌散作用使得一部分核素向巖體中遷移，使得含有放射性核素的地下水溶液濃度降低，從而起到稀釋的作用。

2 放射性核素在地質屏障中的遷移機理

2.1 分子擴散

分子擴散是由于地下水中所含放射性核素濃度的不均勻而引起的一種溶質遷移現象，即由濃度較高的近場向濃度較低的遠場遷移。當溫度、壓力一定時，可用斐克濃度梯度定律來描述，即:

其中，Im為擴散量;grad為梯度;C為溶液中核素的濃度;Dm為分子擴散系數。

2.2 機械彌散

當含有放射性核素的地下水溶液在裂隙介質中遷移時，固相與液相之間的相互作用是非常復雜的，而由于孔隙系統的存在，使得任意孔隙橫斷面上的流速分布，其大小和方向都是不同的，一般可分為以下三種情況:

1)由于液體粘性的作用和結合水的摩擦阻力，使得靠近孔隙壁的水流速度趨于零。孔隙中心部位流速最大。

2)孔隙大小不一，造成不同孔隙之間沿軸部的最大流速有差異。

3)由于空隙的彎彎曲曲，水流方向也隨之不斷地改變。

上述三種情況是引起機械彌散的原因。其中，質點流速的不一樣及不同孔隙中地下水質點的實際流速的差異產生了縱向機械彌散，而固體骨架的阻擋作用產生了橫向機械彌散。

2.3 滲流彌散

當從宏觀角度考慮時，核素隨著水流一起遷移。這時，核素滲流遷移的數量與核素的濃度和遷移介質(地下水)的運動速度有關，可用下式［3］表示:

其中，Ik為核素對流遷移量;C為核素在地下水中的濃度;v為運動介質(地下水)的平均流速。

2.4 放射性衰變

放射性核素在遷移的過程中會不斷地隨著時間發生衰變，從而自動降低它的濃度。其衰減的變化規律［4］為:

其中，λ0為放射性核素的衰變速率常數，1/s;C0，C分別為放射性核素在t=0，t=t時的濃度。

3 世界各國對地質屏障圍巖類型的選擇

多年來，世界各國對可能的圍巖類型進行了大量的研究，通過分析對比，認為花崗巖、粘土、鹽巖的巖性是比較適合的。當然，一個國家最終選擇什么類型的巖石作為處置庫圍巖，還要根據本國的地質條件和國情而定(見表1)。

但理想的核廢物地質處置介質都應具備以下特征:

1)巖石的空隙度小，滲透系數低;

2)裂隙少;

3)具有較強的離子交換性能;

4)良好的導熱性能;

5)具有較強的抗輻射性能;

6)具有一定的機械強度;

7)在水中的溶解度極小(鹽巖例外);

8)巖體的體積足夠大。

表1 一些國家高放廢物處置庫選擇的圍巖類型［5］

其中花崗巖作為核廢物處置的主巖，具有分布廣、巖石質量均一、含水性小、機械強度大、導熱性好、抗輻射性能好和對核素阻滯性強等特點。鹽巖作為處置庫主巖，具有含水性極低、滲透系數小、導熱性好、有一定吸附性的能力、容易施工等優點，但缺點是抗輻射性能不強。粘土具有透水性差、可塑性好、對放射性核素有較好的吸附能力和較強的粒子交換能力等特點。

我國地域遼闊，適宜于處置庫建造的地質環境、巖石類型繁多，因此，在圍巖選擇中具有很大的回旋地。通過多年研究和對比，現已確定以花崗巖作為我國高放廢物處置庫的圍巖。

4 遷移對地質屏障的影響

在處置庫關閉后的長時間尺度(要求的安全期至少是1萬年)和空間跨度下，放射性核素在進入生物圈之前會存在一系列復雜的物理、化學過程。在這期間，復雜的耦合作用會破壞工程屏障和地質屏障，因此在高放廢物深地質處置中對多場耦合的研究具有重要的地位。

1)在對高放廢物處置的過程中，由于放射性同位素衰變，會產生大量的熱量。作為地質屏障的圍巖介質的溫度會隨之升高，這就引起介質的膨脹或收縮并產生熱應力，引發介質中裂隙張閉變形和巖石滲透率的變化，影響機械性質。

2)高放廢物是多種放射性核素的混合物，在遷移過程中會伴隨著多種復雜的地球化學反應，產生新的礦物。這會改變巖石的滲透性，同時影響巖體的強度和完整性。

3)由于水巖作用不僅使地下水的化學成分發生了很大的變化，也導致巖石的礦物成分發生變化，生成新礦物，與此同時本身的質量也發生變化。

5 結語

高放廢物地質處置是一項高科技的、涉及學科眾多的、耗資巨大的系統工程，需要付出幾代人的艱苦努力，需要克服許多地質科學的難關［6］。就其中的地質工作而言，選擇合適的場址和設計一個安全有效的地質屏障是建立高放廢物處置庫的基本挑戰。地質屏障是阻滯核素遷移到生物圈的重要屏障，其安全與否直接關系到人類子孫后代的發展。也正因為如此，對地質屏障的對比研究在高放廢物處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 駒.高放廢物深地質處置及國內研究進展［J］.工程地質學報，2000，8(1):63-67.

［3］史維浚，孫占學.應用水文地球化學［M］.北京:原子能出版社，2005.

［4］劉曉麗，梁 冰，薛 強.地下水環境中有機污染物遷移轉化動力模型的研究［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，呂川河.高放廢物處置庫選址中低滲透介質地質研究的幾個問題［J］.工程地質學報，2003，11(2):133-137.