長時間尺度下放射性廢物處置設施水流特征模擬研究

劉興偉 王旭宏 呂濤 李星宇 夏加國

關鍵詞：近地表處置設施;水流特征;非飽和帶;Porflow;壓力水頭;流速;飽和度

伴隨我國“碳達峰、碳中和”目標的提出，核能作為清潔能源迎來了高速發展期。核能的利用不可避免將產生放射性廢物（絕大多數屬于低中放廢物），如何保證放射性廢物安全處置，往往是社會和公眾較為關心的問題。目前，我國對放射性廢物實施分類處置策略，低中放廢物實施近地表處置。在處置設施的安全評價中，需考慮少則幾百年多則數千年處置設施的長期安全。在長時間序列下處置設施系統部件（如處置單元內水泥砂漿、混凝土單元）的性能會隨時間的推移而發生退化[1-2]，需進行變參數尺度下處置設施核素遷移模擬預測與評價。

在處置設施核素遷移模擬領域，國際上總體可分為兩類：一類基于庫室模型模擬核素遷移;另一類為基于精細化模型模擬核素遷移。對于庫室類模型以Ecolego[3]、GoldSim[4]軟件為代表，這類軟件屬于系統級軟件[5]，通常可模擬放射性核素遷移的完整途徑，含近場（廢物體及廢物處置單元周邊區域）、地質圈和生物圈。將遷移途徑上的介質概化為一個個庫室，如瑞典使用Ecolego軟件完成SFR處置庫長期安全評價[2]。但這類軟件為了能夠涵蓋不同圈層的遷移計算，對模型進行了高度概化，無法給出處置設施周圍環境的細節特征。對于精細化模型模擬以Porflow[6]、Hydrus、GMS、TOUGH系列[7]為代表，這類軟件通常關注核素在近場和地質圈的遷移過程，能夠給出處置設施及周邊環境的細節特征，有助于處置設施的優化設計與相關材料性能研究，目前已在美國[8-9]、韓國[10]等得到廣泛應用。

我國目前已完成的處置設施安全評價中主要以庫室模型為主[11-12]，雖然可以滿足安全評價需求，但無法給出處置設施周圍環境及處置設施內部水流分布特征，不便于處置設施優化設計。此外，處置設施系統部件（多為混凝土等人工材料）性能會隨時間推移而發生退化，導致滲透系數等特征參數發生變化，Hydrus、GMS等軟件目前很難進行長時間序列下變滲透系數問題的模擬，而Porflow軟件可進行變參數問題的模擬。本研究利用Porflow軟件給出我國處置設施關閉后處置功能部件性能退化條件下水流場及飽和度分布情況，為我國處置設施設計優化及相關材料性能研究提供服務。

1計算原理及軟件

1.1非飽和帶計算原理

我國GB9132—2018規定近地表處置單元底板應高于地下水水位，因此處置單元位于非飽和帶。非飽和帶的滲透系數與土壤基質勢及含水量相關。本次模擬土壤基質勢和含水量之間的關系選用非飽和帶模擬中常用的VanGenuchren模型[13]：

式中，ψm為土壤基質勢;θ為體積含水量;θr為殘余含水量;θs為飽和含水量;α、m、n分別為土壤對應的經驗參數。

以基質勢為自變量的形式：

1.2模擬軟件簡介

Porflow是由美國ACRi軟件公司開發的一款綜合性計算流體力學CFD（ComputationalFluidDynamics）工具（見圖1），可進行單相及多相流體耦合模擬，適于精細分析非穩定或穩定流體流動、非飽和、多孔或裂隙介質中的動態相變等問題，支持自定義放射性衰變鏈式反應、并行計算，可服務于地下水模擬和放射性廢物處置工程領域的專業設計與分析，已在國外得到廣泛應用[6，9，14-15]。

2計算模型

2.1概念模型

本次模擬以我國某近地表處置場為例，該處置單元位于溝谷一側山腰處，地下水以松散巖類孔隙水為主，主要接受降雨入滲補給，向附近溪溝排泄或補給下伏基巖裂隙含水層，地下水位距離處置單元底板6.7m。本次研究重點關注處置設施關閉后處置系統功能部件隨時間演化下的水流特征。處置單元（用于處置放射性廢物的混凝土構筑物，圖2中黃色區域所示）內部凈尺寸25m×25m×8m，墻厚1m。廢物處置過程中向碼放廢物桶的處置單元內澆筑水泥砂漿，將處置設施內廢物桶與水泥砂漿概化為廢物體砂漿。處置設施關閉后對處置單元兩側使用回填材料回填至處置單元頂部高度，并在頂部填加覆蓋層。覆蓋層為高密度聚乙烯膜（high-densitypolyethylene，HDPE）、黏土層、砂層等組成的多層結構[16-17]。處置單元底部設有集水管廊，關閉后使用水泥砂漿填充，處置設施關閉后剖面如圖2所示。

2.2模型邊界與剖分

選取處置單元中心剖面構建二維水流模型，覆蓋層HDPE膜下部為模型頂部邊界，將覆蓋層滲漏量作為給定流量邊界，模型底部選取地下水位為給定水頭邊界，模型兩側取為隔水邊界（如圖3所示）。模型尺寸選取長50m，高17.8m。綜合考慮模擬計算需求及計算耗時，網格總體上采取均勻剖分，對處置單元及集水管廊區域采取局部加密處理。剖分后長103、寬104個網格，共計10712個網格（如圖3所示）。根據覆蓋層設計及水泥基材料性能退化過程，將模擬期劃分為3個階段（如表1、圖4所示），第一階段（0～150年）處置設施關閉，有極少量雨水入滲，水泥基材料（即混凝土單元和廢物體砂漿）處于良好狀態;第二階段（150～300年）處置設施排水系統逐漸失效，覆蓋層功能逐漸失效，水泥基材料處于退化階段;第三階段（300～1000年）覆蓋層完全失效，水泥基材料完全失效。模型其他參數列于表2。

3結果與討論

3.1壓力水頭及流向分布

由水流場壓力計算結果圖5a可以看出，初始時刻（覆蓋層完成后）在無入滲的情況下處置單元及周邊回填材料處水流場整體上無差異，整體為非飽和狀態，上部壓力水頭較低，下部壓力水頭高，到達地下水水面處為0，同一高度壓力水頭相同，呈水平分布狀態，最大吸力（壓力水頭的相反數）為1773cm。總勢能上部高，下部低。由流線可知，水流由上向下運動，處置單元區由于滲透系數較低（約為周圍回填土壤的千萬分之一），來自處置單元正上方水流受處置單元阻滯而發生偏移，向回填土壤區域偏移。而隨時間的推移，覆蓋層HDPE膜性能退化，導致降雨入滲量逐步增加，處置單元頂部壓力水頭逐步升高，呈現處置單元中間區域壓力水頭高于兩邊壓力水頭，處置單元頂板以下無明顯變化（圖5b）。流線與初始時刻基本相同，僅有微弱改變。

由水流邊界條件知，第150年后覆蓋層排水功能失效，覆蓋層入滲率由初始時刻的1.02×10-3cm/a，增加至0.1cm/a，同時水泥基材料混凝土和水泥砂漿性能退化，滲透系數增加，導致在處置單元區形成較低的壓力水頭。由流線可以看到處置單元下部（以集水管廊下部為主）出現水流上吸現象。在集水管廊區域出現駐點（即水流停滯點）（如圖6所示）。

對地下水上升區域總勢能進行分析，在上升區域取A（白色）、B（紅色）兩點（如圖7所示），取地下水面為基準面。

總勢能A=重力勢能A+基質勢（用壓力水頭表示）A=430+（-692）=-262cm。

總勢能B=重力勢能B+基質勢（用壓力水頭表示）B=177+（-178）=-1cm。

B點總勢能高于A點總勢能，水流由勢能高點向勢能低點運動，與水流線的分布相符。

進一步從地下水流垂向分速度進行分析，由第151年垂向分速度（正值表示向上分量）分布可以看出（如圖8所示），垂向流速呈對稱分布，在處置單元底部兩側及地下集水管廊區域形成較大的地下水上升區域。隨著降雨入滲及地下水面對處置單元區域水分的補充，處置單元較低壓力水頭區域范圍逐漸變小，垂向分速度的最大值先變大后變小，第153年在集水管廊與處置單元通道處出現最大向上的垂向分速度0.72cm/a。隨后向上的垂向分速度范圍逐漸下移并縮小，相對高流速區主要集中在集水管廊及集水管廊下方。至第165年時向上的垂向分速度范圍被分為兩部分，呈左右對稱。至第170年時，向上的垂向分速度基本消失。

由圖9可以看出，在第300年～1000年期間總體壓力水頭均較關閉時刻及150年時刻高，總體在-800～-100cm區間。主要原因是300年后覆蓋層功能失效，頂部邊界補給量較初始時刻變大了近1000倍，整體上補給與排泄達到動態平衡，300年～1000年壓力水頭隨降雨補給動態變化。

3.2流速分布

非飽和帶中水流速度相對較小，如圖10所示，初始時刻因水流場總勢能差異較小，總體流速數值很小，最大流速出現在處置單元外部頂端角點處，最大值也僅約為0.006cm/a。處置單元混凝土墻處流速最低，接近于0，呈現外部環境中水流速高于處置單元區域。流線上相鄰黑色標記點表示在時間間隔內質點遷移的距離。如圖10a表示初始時刻的流場下需要50000年時間質點才能遷移流線上相鄰兩黑色標記點間的距離。

隨著來自覆蓋層滲漏量的增加，非飽和帶中水流速度逐漸增加，在150年時最大流速可達到0.41cm/a。此時處置單元混凝土墻及水泥砂漿中流速均較低。處置單元頂端角點遠離處置單元方向形成相對“高速”滲流區域（圖10b）。

由圖11a可以看出，300年最大流速集中于集水管廊區域，最大流速為18.32cm/a。少部分分布于處置單元上部頂角處，處置單元內部兩側流速高于其他位置。處置單元外部兩側存在低流速區。在處置單元區域流線上黑色時間標記點較為稀疏，兩側標記較為密集。同時兩側呈現上部稀疏下部密集的現象，進一步證明處置單元兩側低流速帶區域的存在。

因第300年處置區域混凝土性能及降雨入滲補給量的變化，導致在第301年流速場發生較大的變化。由圖11b可知最大流速變為53.15cm/a，最大流速仍集中于地下水集水管廊及處置單元上部兩端角點區域。整體流速均高于第300年時刻流速。在模擬區上部出現高流速帶，呈逐漸下移趨勢。至第305年僅處置單元兩側存在少部分低流速區域，最大流速升為67.45cm/a（圖11c）。

在第300～1000年期間，流速場隨降雨入滲量的動態變化而變化，整體變動范圍較小。由流線上黑色時間標記點可以看出整體流速略有提升。處置單元內部兩側流速高于中間位置。第500年時刻最大流速為80.68cm/a（圖11d），第1000年時刻最大流速為86.40cm/a（圖11e）。

3.3飽和度分布

處置設施及周邊飽和度信息如圖12所示，處置單元區域飽和度相對較高，達0.99，近似達到飽和狀態。原因在于處置單元區域孔隙度相對周邊較低，受混凝土和砂漿含水率與吸力關系參數限制，在相同吸力（壓力水頭的相反數）條件下，飽和度較高。黏土層（飽和度近0.5）向下飽和度逐漸降低，土壤層表面飽和度最低約0.2，向地下水面逐漸升高，至地下水面再次達到飽和。

從時間分布看，飽和度隨時間變化相對較小，在初始至150年，飽和度基本不變，第150年～300年，回填土壤層飽和度升高，處置單元兩側附近回填土壤的飽和度略低于遠處回填土壤的飽和度。原始地層巖性中，處置單元下方飽和度高于處置單元兩側地層飽和度（圖12a、b、c）。第300年～500年模擬區域整體飽和度均有所上升。黏土層飽和度增加明顯，由0.5升高為0.8左右，受降雨入滲補給影響大于其他部分。處置單元及地下管廊區域因主要為混凝土和砂漿，受材料性能影響，飽和度基本不變，保持在近似飽和狀態。第500～1000年，飽和度無明顯變化，1000年以后基本保持不變。

由以上分析可知，處置單元中混凝土和水泥砂漿的服役環境變化較微弱，整體處于近似飽和狀態。處置單元相鄰回填土壤層的飽和度呈逐步上升狀態，由初始的約0.3逐步上升為約0.5。處置單元底部地下管廊混凝土外部服役環境中飽和度前150年基本保持不變，維持在0.2附近，150年后呈逐步上升狀態，由初始約0.2逐步上升為約0.4。隨降雨入滲量動態變化，飽和度變化范圍0.38～0.41之間。

4結論

綜上分析可知，放射性廢物處置設施關閉后近場區域水流場負壓水頭隨覆蓋層性能退化逐漸升高（數值變大），第150～170年期間受水泥基材料性能退化的影響，處置單元底部及兩側在一段時間內存在局部水流上升區。在流線方面，前150年處置單元上方補給主要通過處置單元兩側流走，150年后處置單元上方補給主要通過處置單元向下流出。在流速方面，前150年流速較低，最大值為0.41cm/a，隨后逐漸增大，最大值約為86.4cm/a，高流速區域主要分布在處置單元頂端兩個角點及地下排水管廊區域，低流速區域主要分布在處置單元兩側。飽和度總體變化不大，處置單元區基本維持在近似飽和狀態（0.99），處置單元兩側及底部飽和度呈升高趨勢，動態變化范圍為0.3～0.5之間。

通過本次研究獲得了放射性廢物近地表處置設施關閉后長時間序列覆蓋層及水泥基材料性能退化情景下水流場特征，并找出了處置單元高流速分布區域，得到處置單元關閉后各功能部件總體服役環境，有助于處置設施優化設計。滲流場的分布可為放射性廢物處置單元內廢物桶的碼放方案優化提供依據，保證我國放射性廢物的安全處置。