開挖損傷區(EDZ)對核素遷移的影響

孫 琦，章曉崑，張振濤

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

根據國家核電發展現狀和規劃，截至2019年12月底，我國在運核電機組47臺，裝機容量4 875萬kW，位居全球第三，占全國總裝機的2.42%；在建核電機組13臺，裝機容量1 387萬kW，在建規模保持全球領先。2019年，在運核電機組總發電量3 481.31億kW·h，占全國總發電量的4.88%[1]。到2050年我國的發電總量將達2～3 TW，預計核電裝機將達到200～300 GW，占總發電量15%～20%左右[2]。

隨著我國核電事業的飛速發展，高放廢物的處理和處置，將成為一個重大的安全和環保問題。每增加一座百萬千瓦級的核電廠，每年將多產生約22 t重金屬乏燃料，每個堆全壽期共產生約1 320 t重金屬乏燃料。如果我國核電規模達到100 GW，則所有核電廠產生的乏燃料總量將達到138 070 t重金屬[3]。

各國提出過多種高放廢物處置方案。核嬗變法是指把長壽命放射性核素從高放廢物中分離出來，放入反應堆或加速器中用嬗變方法變成短壽命或非放射性核素，該方法可使放射性廢物的長期危害降低到最小,實現放射性廢物的減害處理，但是該方法費用十分昂貴,目前很難實現。稀釋法是將核廢物極度稀釋至對生態環境無害的水平,高放廢物的半衰期很長，稀釋成本高，所以稀釋法不適宜高放廢物[4]。隔離法將核廢料與生物圈長期隔離,使放射性核素不能進入生物圈或進入生物圈之前已經不會對其產生危害。隔離法又包括太空處置、海洋處置、冰層處置及地質處置等,其中冰層處置與太空處置僅是一種設想。通過對各種方案的分析和對比，許多國家對地質處置的安全性與現實性達成共識,并認為高放廢物地質處置是最現實、可行的方法[5]。

在處置庫建造階段，由于開挖使得圍巖中應力重新分布，圍巖發生擾動，巖體內部原生裂隙出現擴展、連通，產生新生的微裂隙,巖體的滲透系數變大，出現這種變化的部位稱為開挖損傷區(excavation damaged zone, EDZ)[6]。處置庫建造階段形成，由裂隙發育而來的EDZ是放射性核素的重要遷移通道。處置庫廢物體中的放射性核素會持續衰變釋熱造成圍巖溫度升高，影響處置庫的密封性和穩定性，放射性核素在長期的地質埋藏過程中輻射劑量泄漏風險也會隨之升高[7]。EDZ位于高放廢物處置庫工程屏障和遠場圍巖中間，對于整個處置場的安全評價具有不可估量的重要意義。自上世紀末期，國內外眾多科研工作者對EDZ在核廢物處置庫安全性的評估影響開展了大量工作，進行了系統全面的理論研究[8-9]。本文綜述了EDZ對核素遷移的影響，旨在為處置庫工程性狀的評估及長期安全狀態的評定提供參考依據。

1 處置庫概念設計及模擬

高放廢物深地質處置是將高放廢物隔離在500～1 000 m以下的地質介質中[10]，采用多重屏障，工程屏障系統(engineering barrier system, EBS)和天然屏障系統(natural barrier system，NBS)來阻滯放射性核素從處置庫向生物圈的遷移。處置屏障系統的近場(near field)和遠場(far field)構成示于圖1。工程屏障系統被稱為近場，包括廢物固化體、處置罐、緩沖/回填材料，天然屏障系統遠場指的是阻滯放射性核素從處置庫向生物圈遷移的天然地質體，即圍巖[11]。我國目前已經初步選定甘肅北山地區為處置庫的重要預選區域，內蒙古高廟子鈉基膨潤土為處置庫的首選回填材料，北山花崗巖為處置庫的重要預選圍巖[12]。

圖1 處置屏障系統的近場和遠場構成[11]

圍巖的挖建會產生宏觀裂隙和微觀裂隙，不同模型在描述裂隙中核素遷移時具有不同的優勢和不足，目前核素遷移的研究中多數僅使用其中一種模型來概化裂隙介質，模型的選取對核素在裂隙介質中遷移影響的研究較少。彭志娟[13]使用美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的用于模擬多組分多相流的TOUGH2運算平臺進行模擬，采用不同的數學模型概化裂隙對129I、135Cs在裂隙介質中遷移的影響，分別建立了EDZ模型和阻滯放射性核素從處置庫向生物圈遷移的天然地質體的模型，即遠場模型。EDZ模型由等效連續(EC)模型和雙重介質(DP)模型進行概化，結果表明，在相同的時刻，129I和135Cs在EC模型中的濃度大于在DP模型中的濃度；在相同的位置，129I和135Cs在DP模型中的濃度會率先達到峰值；129I和135Cs在DP模型中的遷移速度更快。對比129I 和135Cs在EDZ模型與遠場模型中模擬結果可知，EDZ模型中129I 和135Cs的遷移速度大于遠場模型中的遷移速度，說明EDZ的存在會加快129I和135Cs遷移。對比等溫和變溫條件下EDZ模型與遠場模型的結果發現，溫度升高后，EDZ模型中129I 和135Cs的遷移速度仍大于遠場模型中的遷移速度。

根據理論模擬，EDZ區裂隙的斷口邊緣與廢物容器之間的距離對核素遷移速率影響很大[14]。季瑞利使用ACRi(Analytic & Computational Research, Inc.)公司研發的Porflow模擬軟件進行了模擬運算，設置了三個情景(圖2)：情景(a)和情景(b)中放射性核素可直接通過EDZ區擴散到裂隙內部，其中情景(a)模擬處置坑圍巖內不存在EDZ區，情景(b)模擬處置坑圍巖內存在EDZ區；情景(c)包含兩個算例，分別模擬裂隙與EDZ區間距0.10 m和0.20 m。三個情景中其他條件不變，著重關注放射性核素135Cs從EDZ區向裂隙遷移，以及135Cs在裂隙內的遷移。研究人員觀察到，相同時間下135Cs在裂隙內的活度：情景(b)中135Cs在裂隙內的活度>情景(c)中135Cs在裂隙內的活度>情景(a)中135Cs在裂隙內的活度。情景(c)中，巖體內裂隙與EDZ區距離越遠，裂隙內135Cs放射性濃度上升速度越慢，即巖體內裂隙距離EDZ區越遠，擴散到其中的135Cs活度越小[5]。即EDZ區裂隙的斷口邊緣與廢物容器之間的距離越大，核素遷移量越小。

B—膨潤土；W—廢物體；E—EDZ 區；F—裂隙；G—完整花崗巖

2 EDZ區的裂隙水對核素遷移的影響

EDZ中的裂隙地下水是進行安全評估的重要因素[15]。裂隙水化學是一個熱門話題，因為裂隙水的組成和相關的物理化學參數(酸堿度-pH、氧化還原電位-Eh)直接控制著處理系統中發生的遷移過程，并影響到核素遷移過程。更具體地說，裂隙水化學實驗對于理解和預測放射性核素的化學形態、溶解性和吸附性以及支持遷移研究至關重要。因此，對粘土巖裂隙水組成及其潛在的地球化學和運移過程的認識，是安全評估所需科學基礎的重要組成部分。這就需要對實際可能發生放射性核素釋放的條件下，受干擾或損壞的EDZ的特征和行為進行評估[16]。

2.1 裂隙水中的化學反應對核素遷移的影響

2.2 裂隙水中的pH和Eh對核素遷移的影響

Beall等[19]研究了核素在不同pH和Eh條件下在花崗巖中的吸附，指出Np5+和Pu6+被含Fe2+礦物還原為Np4+和Pu4+后被吸附。Eh對吸附的影響總是和核素價態相聯系，而pH的影響與不同價態核素水解能力相關[20]。北山三號井地下水的氧化還原電勢為83.2 mV，U和Tc在此狀態下的溶解能力較強，Se相對較低，且溶解態的U、Tc和Se主要以陰離子形式存在，遷移能力強[21]。Allard等[22]總結了錒系元素在地質介質中的吸附行為，指出在大多數環境條件下低價錒系元素易吸附在地質材料上，一般在溶液中主要是在生成中性氫氧化物的pH范圍內觀察到最大吸附；生成陰離子絡合物后，吸附減少。章英杰與貫鴻志等[23-24]在研究中發現，隨著溶液pH升高，花崗巖對于Pu與Am的吸附能力增強。北山地下水的pH在6.8～8.4[25]，在此條件下，U和Tc的溶解度相對較高，Se的溶解度相對較低，而Np的溶解度更低，溶解態的U、Tc和Se主要以陰離子的形式存在，很難被作為核廢物處置庫圍巖或者緩沖或回填材料的花崗巖和黏土礦物吸附[21]。即裂隙中U、Tc和Se易遷移，Pu和Am次之。

3 EDZ區的膠體對核素遷移的影響

裂縫與鉆孔周圍的EDZ相交，導致在膨潤土/花崗巖邊界處產生水流，并在此處產生膠體。放射性核素通過膨潤土緩沖液擴散，并釋放到裂隙水中。然后，放射性核素部分溶解在溶液中，部分擴散到花崗巖基質中或吸附在膠體上，足夠濃度的膠體能夠影響放射性核素的遷移[26]。因為膠體不能穿透花崗巖的基質孔隙，因此只能在裂隙中運移。所以，吸附在膠體上的放射性核素也被排除在基質擴散之外，這通常是導致放射性核素在花崗巖基質介質中阻滯的最重要原因之一。此外，被膠體吸附的放射性核素在其他地方也不能被吸附。這兩種效應都會導致放射性核素加速運輸。膠體促進核素遷移的影響取決于膠體上核素的分配系數，分配系數最高的是錒系元素以及Ni、Zr、Nb和Sn。膠體的存在加速了放射性核素的運輸過程。由于放射性核素的放射性衰變，更短的傳播時間也可能導致更小比例的衰變核素，從而導致更高的劑量率。Rübel等[27]發現126Sn產生的劑量率的最大值因膠體促進遷移而增加約2倍。膠體濃度在1 ppm時已吸附了最大量的126Sn。當膠體濃度為1 ppm時，對240Pu的影響可以忽略不計；當膠體濃度為10 ppm時，240Pu的劑量率增加約為1.5倍；而當膠體濃度為100 ppm時，對240Pu的增加約為20倍。由放射性物質作為分散相或分散相組分之一所形成的膠體，根據溶液介質條件的不同，可分為真膠體與假膠體。其中真膠體具有膠體的一切特性，而假膠體中的放射性核素能以離子狀態透過半透膜，當膠粒大于100 nm時，又可用離心法沉降。Nagasaki等[28]研究了不同 pH 和不同離子強度時，蒙脫土膠體和錒系元素假膠體的遷移現象發現，當Am和Np被吸附時易形成可分散的假膠體時，大部分Am3+和Np5+穿過了石柱，表明膠體促進了以上兩種核素的遷移。Huber[29]發現水中存在膠體時，核素232Th4+、242Pu4+和243Am3+會從膠體上解吸。上述實驗結果表明，EDZ區的裂隙中的膠體會加速核素的遷移。

4 EDZ區的膨潤土對核素遷移的影響

我國高放廢物地質處置擬采用膨潤土作為緩沖或回填材料。EDZ裂隙中會擠壓進入膨潤土，擠入的膨潤土則會限制放射性核素的遷移。膨潤土的擠壓速度受溫度影響，鈉型膨潤土比鈣型膨潤土的擠入速度快[30]。鈉型膨潤土和鈣型膨潤土在不同溫度下，膨潤土擠出區域中均出現了濃度峰值。出現濃度峰的原因主要是由于固相傳輸。在裂縫與緩沖區的交點附近，空隙率低，固體顆粒含量高，液相中的放射性核素遷移受到高度抑制。大量的放射性核素吸附到固體材料上，并通過固相運動進行運輸。然后在濃度較低的液相發生解吸。當這些放射性核素在液相中擴散回去時，就會產生一個濃度峰值[31]。以Cs和Np為例進行研究，Cs濃度峰值隨溫度升高而降低，因為Cs在較低溫度下具有較高的吸附能力，遷移受到抑制；溫度升高，膨潤土擠入速度加快，孔隙率降低，Cs的吸附分配系數降低。處置庫中在二者的共同作用下，Cs是唯一濃度峰值隨溫度的升高而減小的放射性核素。隨著擴散的增加和吸收的減弱，遷移實際上得到增強。因此，持續升高的環境溫度可能會降低膨潤土中Cs的含量。Np的吸附分配系數隨溫度的升高而增大，Np的吸附量增加，Np的濃度峰值增大?？紫堵孰S擠出速度的增加而降低，并且在較高溫度下的高吸附性極大地抑制了裂縫中的遷移。由于擴散的增加，基本上抵消了增強的遷移[32]。濃度峰值的增加證實了這一點。對于兩種膨潤土類型，這些趨勢保持一致。實際地下工程中EDZ區內存在很多裂隙，這些裂隙是放射性核素從工程屏障遷移到遠場的重要通道，因此，如果能在膨潤土和EDZ區之間充填對放射性核素阻滯效果比膨潤土更好的材料，通過改進地下工程設計、提高施工工藝、降低EDZ區的厚度及其與處置庫圍巖內裂隙之間的連通性，可以提高EDZ區對放射性核素的阻滯效果。

5 結論與展望

目前國內外在EDZ對于核素遷移影響的研究領域中已開展了大量工作，研究方法也較為成熟，總結對其影響因素主要包括：核素自身性質、裂隙水作用、Eh-pH、裂隙充填物以及裂隙中的膠體等，且各因素之間相互促進或制約，共同體現著影響作用。EDZ區的裂隙會加速核素遷移，并且裂隙的斷口邊緣與廢物容器之間的距離越大，核素遷移量越小。裂隙中U、Tc和Se易遷移，Pu和Am次之；裂隙水中的化學反應、裂隙中的膨潤土對核素的遷移有阻礙作用；裂隙中的膠體則會加速核素的遷移。通過相關文獻閱讀，可獲得關鍵核素在EDZ中的遷移信息，初步掌握遷移規律，為地下實驗室運行階段開展核素遷移實驗提供技術儲備。但現有的遷移模型只針對某一影響因素建立，模擬精度十分有限，隨著計算機技術的革新以及實驗的開展，未來所建模型將會從忽略大量影響因素的簡單模擬模型發展到考慮更多影響因素的模擬模型，從而大大提高模擬精度。同時也需要在工程施工上優化方法，減少裂隙發育生成EDZ區，增加地質處置庫的安全性和穩定性。