水文地球化學(xué)在高放廢物處置庫選址中的應(yīng)用

李江波

0 引言

如今,能源緊缺已經(jīng)成為一個世界性的普遍問題。我國人口眾多,能源短缺對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)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(fā)與利用。無論是核電站建設(shè)還是核設(shè)施退役,都會產(chǎn)生大量的放射性核廢物。對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)的一項重要課題,同時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)處置是開發(fā)時間最長,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力學(xué)及化學(xué)特征有著極為密切的關(guān)系。處置庫選址中的水文地質(zhì)工作,就是要查清預(yù)選區(qū)的地下水動力學(xué)及化學(xué)特征,為處置庫的最終確定提供依據(jù)[1]。

1 地下水對核素遷移的影響

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,同時以膨潤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(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源、滯留時間和地下水循環(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。核素從處置庫向生物圈遷移的過程可以設(shè)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(yīng)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(qū)向處置硐室低壓區(qū)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(tài)轉(zhuǎn)移到地下水中,同時,整個處置庫便達(dá)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(dá)到平衡狀態(tài),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(qū)的地下水流場所控制。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(jìn)入到地質(zhì)介質(zhì),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(zhì)問題

水文地質(zhì)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(guān)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(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(xué)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(zhì)調(diào)查研究是處置庫場址選擇中十分重要的研究內(nèi)容,其主要問題可以歸結(jié)為以下幾方面:1)鉆孔水文地質(zhì)勘察、試驗和測試。2)水文地質(zhì)參數(shù)的測定。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 高放廢物處置庫選址中的水文地球化學(xué)問題

限制處置庫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(jìn)行包裹體研究,確定古水文地球化學(xué)特征等。對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(yù)選區(qū)水文地球化學(xué)研究的重要內(nèi)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(jié)果顯示,花崗巖—膨潤土—地下水相互作用5年后會出現(xiàn)明顯的變形,膨潤土發(fā)生的陽離子交換作用是最重要的水文地球化學(xué)過程,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兩種方法實現(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方面的問題: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(jié)語

水文地質(zhì)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(xué)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(zhì)處置是一項高科技的、涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程,面臨很多的問題與挑戰(zhàn)。高放廢物處置庫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)方法來服務(wù)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(xué)在高放廢物處置庫選址工作中的應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。

[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(tǒng)地下水同位素特征[J].地球?qū)W報,2005,24(6):525-528.

[3]郭永海,王 駒,金遠(yuǎn)新.世界高放廢物地質(zhì)處置庫選址研究概況及國內(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)問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)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(xué)技術(shù),2003,37(6):533-537.

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