鈾在固體介質中的擴散行為研究

柏 云 帥震清 朱曉紅 楊光文 廖俊生

1（中國工程物理研究院 綿陽 621900）

2（四川省輻射環境管理監測中心站 成都621000）

隨著原子能事業的迅速發展，放射性核素在環境介質中的逐漸滲透、擴散成為關注熱點。國內外對放射性核素在污染介質中的遷移擴散研究，主要是它們在地質層和各種屏障材料中的吸附、滯留和擴散行為，側重于核素在環境介質中遷移特性的主要參數的測定研究[1–4]，如吸附分配比(Kd)、擴散系數(DL)、滯留因子(Ra)等。Kookana等[5]研究了核素在土壤中隨各種水流條件的吸附規律，Weiner等[6]對新墨西哥州的超鈾廢物處置庫WIPP進行了一系列示蹤試驗研究，以確定影響核素擴散的過程及參數。中國輻射防護研究院和日本原子力研究所合作開展了鈷、鍶、銫在非飽和黃土中的擴散吸附行為。本文主要研究放射性核素鈾在土壤、水泥中的遷移擴散行為，了解設施周圍環境可能的污染狀況，為生產廠房的安全退役和核廢物處置提供科學依據，在退役過程中最大限度地減少廢物產生量，節約成本，提高效率。

1 實驗

1.1 樣品采集與制備

柱遷移實驗中所用土壤樣品采用某實驗室廠房外的地表土，為深褐色含角礫、砂質亞粘土。在實驗室自然風干至恒重，篩分為8–40目；所用水泥樣品為普通水泥與水按5:1的質量比配制，充分攪拌后在室溫下養護28 d，磨成20–120目的顆粒。

環境土壤采集距某已關閉的放射性分析實驗室廠房外約5 m的地表土，每隔5 cm深度采集一個重量為250 mg土壤樣。水泥樣品采自廢水房外的水泥地面。

1.2 鈾標準溶液的配制

鈾標準溶液采用基準 U3O8進行配制，配制前先將 U3O8灼燒至恒重，然后稱取一定量溶于硝酸溶液中稀釋至刻度。

1.3 柱遷移實驗

實驗所用色層柱為內徑25 mm、柱長200 mm的玻璃柱。在柱子底部填充一些玻璃毛，裝少量水后裝入一定量樣品顆粒，裝填密實后在頂部土樣表面填充一些玻璃毛，使用帶有導管的橡皮塞將頂部塞住，用水淋洗使之平衡。裝柱參數見表1。以氚水為示蹤劑，向實驗柱中注入比活度為

表1 裝柱實驗參數Table 1 Sample-filling parameters of the test column.

5.25 Bq·mL–1的標準氚水0.5 mL，用淋洗液淋洗，所得淋洗曲線對應的峰體積為自由柱體積FCV，則色層柱的有效孔隙率ε=FCV/V，其中V為柱體積。然后，用恒流泵注入鈾標準溶液，待鈾在柱上充分吸附平衡后(吸附6 d)用水淋洗，水流速度與氚水流出速度一致。流出液用收集器收集，測量流出液的濃度，得到流出曲線。計算核素的柱分配系數(mL/g):

Kd=ε(Rd–1)/ρ, 式中，ρ為內填充材料的堆積密度；

Rd為滯留系數，也即流出曲線峰與氚峰的體積比。

2 結果與討論

2.1 Rd與Kd的測定

土壤柱和水泥柱氚水淋洗曲線如圖1所示。當土壤柱和水泥柱的流出氚水體積分別為40、30 mL時，流出濃度達最大值。由ε=FCV/V得到有效孔隙率為0.54、0.51。

圖2為土壤柱和水泥柱的鈾流出曲線，它們的水流出量分別為6000、4000 mL時，流出鈾濃度達最大值，由Kd=ε(Rd–1)/ρ算得它們的滯留系數分別為150、133.3，分配系數發表為84.7、23.9 mL/g。

圖1 土壤柱(a)和水泥柱(b)氚水流出曲線Fig.1 Effluent curve of tritium water in soil column (a) and cement column (b).

圖2 土壤柱(a)和水泥柱(b)鈾流出曲線Fig.2 Effluent curve of uranium in soil column (a) and cement column (b).

實驗結果表明，鈾在土壤中的分配系數大于在水泥顆粒中的分配系數，這與土壤的粒徑以及比表面、礦物組分等理化性質有關，也說明鈾在水泥中的吸附性能較弱，而遷移較快。

2.2 環境土壤與水泥樣品放射性比活度測量

235U為α衰變體，伴隨放出的γ射線中以185 keV最強(發射幾率為54%，內能轉移系數為26%)。對采自實驗室外的土壤樣品用高純鍺γ譜儀進行了測量，結果列于表2。

表2 環境土壤及水泥樣品中235U比活度測量結果(Bq·kg–1)Table 2 Specific radioactivity results of environmental soil sample and cement sample.

由此可見，該地區環境土壤中 U的比活度為4.5–5.8 Bq·kg–1，測量結果表明，在 0–100 cm 深度的土壤中，235U的比活度與該地區環境土壤本底值基本一致，未受到污染。隨著樣品取樣深度的增加，235U的比活度測量結果基本不變，且土壤樣中235U比活度大于水泥樣中235U比活度，表明鈾在土壤中的吸附性能大于水泥中的吸附性能，與柱吸附實驗結果一致。

3 結語

用土柱法測得土壤和水泥樣品的Rd與Kd值分別為150、133.3和84.7、23.9 mL/g。

實驗室外環境土壤及水泥樣品的235U比活度測量結果與該地區環境土壤本底值基本一致，隨著樣品取樣深度的增加，235U的比活度改變不明顯。研究結果表明，實驗室外的水泥建筑及環境土壤均未受到污染。

1 Yen G T, Ward D S. A finite element method of waste transport through porous saturated media. ORNL- 5601,1984

2 Scott F B, Ronald H T. Thorium, uranium and cesium-137 in Louisiana soil: migration trends in a soil catena near Dubach, Louisiana, USA. Radiochimica Acta[J], 1991,52/52: 241–247

3 Frick U, Alexander W R, Baeyens B. Grimsel Test Site:The radionuclide migration experiment-overview of investigations 1985–1990, Nagra Technical Report, 1992,NTB91-04

4 Stanislaw Maciejewski. Numerical and experimental study of solute transport in unsaturated soil. J of Contaminant Hydrology[J], 1993, 14: 193–206

5 Kookana R S, Schuller R D, Aylmore L A G. Simulation of strontium transport through soil columns using time-dependent sorption data measured under flow conditions. J of Contaminant Hydrology[J], 1993, 14:93–115

6 Weiner R F, Stockman C T, Wang Y. A conceptual performance assessment model of the dissolved actinide source term for the WIPP . Sandia National Labs,Albuquerque, NM (United States), 1996, 16–21