水文地球化学在高放废物处置库选址中的应用

李江波

0 引言

如今,能源紧缺已经成为一个世界性的普遍问题。我国人口众多,能源短缺对我国经济发展的影响显得尤为突出。为解决能源问题,各国都不约而同地将目光投向了核能的开发与利用。无论是核电站建设还是核设施退役,都会产生大量的放射性核废物。对这些核废物的安全处置,已经成为核科学研究领域内的一项重要课题,同时也成为核能源大力发展的严重障碍。在众多处置方案中,高放废物深地质处置是开发时间最长,也是最有希望投入应用的处置方案。地下处置的目的能否最终实现,主要将取决于核素在基岩中的迁移形式及迁移速率,而这种迁移与地下水的动力学及化学特征有着极为密切的关系。处置库选址中的水文地质工作,就是要查清预选区的地下水动力学及化学特征,为处置库的最终确定提供依据[1]。

1 地下水对核素迁移的影响

高放废物深地质处置的基本概念是把玻璃固化后的核废物装入容器,再将其置入地下深部的基岩硐室中,同时以膨润土缓冲回填材料和密封材料回填,即设置多重屏障以阻止放射性物质释放、迁移和返回生物圈。地下处置库场址能否最终确定,主要取决于核素在基岩中的迁移形式及迁移速率,而这种迁移将通过地下水的“载体”作用进入生物圈。因此,了解预选区的水文地质环境特征非常重要,同位素方法是查清地下水的来源、滞留时间和地下水循环交替特征的一种有效手段[2]。

虽然玻璃固化体中的核素封闭于多重屏障系统内,但无论如何也不能永远地阻止核素向生物圈迁移。一旦工程屏障损坏,核素就将随地下水一起向生物圈迁移。核素从处置库向生物圈迁移的过程可以设想为:首先,虽然处置库一般建在地下水贫乏且渗透性很低的岩体中,但深度一般应在500 m～1000 m的地下深处,这个深度一般均属于饱水带,在处置库运行初期,地下水将从周围压力较高的地区向处置硐室低压区运动,而地下水最先接触的将是回填材料。穿过回填层的水随后将与废物容器接触,一旦容器破损或腐蚀,地下水便直接与玻璃固化体接触,于是便开始了水与固化体间的相互作用过程。固化体中的核素或溶于地下水,或以微粒的形态转移到地下水中,同时,整个处置库便达到完全饱水的程度,于是,处置库硐室中的水压力与围岩体中的水压力达到平衡状态,从这一平衡点开始,地下水的运动将不再是由周围岩体流向处置库,而是开始由处置库地区的地下水流场所控制。通常是由补给区流向排泄区,于是转移到地下水中的核素便通过破损的容器沿水流方向返回到回填层中。在回填层中,某些核素被吸附或沉淀,但回填材料的吸附容量是有限的,不久核素将随地下水穿过回填层进入到地质介质,在天然屏障中开始了向生物圈迁移的过程[3]。

2 高放废物处置库选址中的水文地质问题

水文地质是场址选择过程中一个非常重要的研究方面。因为在处置库关闭和重新饱和地下水后,随着时间的推移和地下水对工程屏障的侵蚀,放射性核素最终都将溶于地下水中,并随地下水向生物圈迁移。溶于地下水中的核素一方面随水流迁移,另一方面,在流动过程中又可能与水溶液中的某些化学成分发生化学反应,从而减缓核素迁移的速度,延长它们在地下水中滞留的时间。因此,地下水的流速、流向和化学成分等因素对核素返回生物圈的过程起着极其重要的影响和控制作用。因此,水文地质调查研究是处置库场址选择中十分重要的研究内容,其主要问题可以归结为以下几方面:1)钻孔水文地质勘察、试验和测试。2)水文地质参数的测定。3)水流数值模拟研究。4)水文地球化学模拟研究。5)地下水同位素、CFC、稀有气体、胶体等研究[4]。

3 高放废物处置库选址中的水文地球化学问题

限制处置库放射性核素释放并进入生物圈的天然屏障是围岩,其水文地球化学特性对核素的迁移具有较强的影响作用。其水文地球化学研究包括:岩石化学、地球化学、裂隙充填物质、水文地球化学模拟等。这些因素将直接影响到核素在岩石中的弥扩散、沉积、吸附、迁移等过程。目前开展的具体研究包括:1)研究岩体及岩体中的填隙矿物,如对石英、方解石等脉石矿物进行包裹体研究,确定古水文地球化学特征等。对岩体中的黏土矿物采用原位X衍射等方法进行研究,以确定黏土矿物的种类和含量等,为建立地球化学模型和模拟研究奠定基础。对岩体及其填隙矿物和包裹体等进行同位素研究,包括U—Pb,B,Rb—Sr,Sm—Nd等,对充填矿物定年及确定古水热活动特点、流体来源、演化等[5]。2)地下水—废物—岩石相互作用研究。这方面的研究是场址预选区水文地球化学研究的重要内容,如在ASPO实验室开展试验的主要目的就是为了了解膨润土在热梯度和在NaCl,KCl和石膏,方解石,水泥等不同填隙物作用下的变形等,ARCOS D等[6]的模拟计算结果显示,花岗岩—膨润土—地下水相互作用5年后会出现明显的变形,膨润土发生的阳离子交换作用是最重要的水文地球化学过程,此外方解石将起到pH缓冲剂的作用,而系统中方解石的溶解与沉淀取决于溶液中钙的浓度及石膏等。3)岩体地球化学体系封闭性研究。该方面的研究可以通过两种方法实现:a.采用铀系不平衡判别;b.采用同位素体系判别[7]。4)岩体的水文地球化学模拟研究。该研究的理论基础是化学平衡理论及质量守恒原理。目前,这种模拟研究主要解决两个方面的问题:a.地下水化学成分本身所发生的作用,如络合反应等;b.水—岩相互作用,如溶解、沉淀反应、离子交换反应等。水文地球化学模拟为计算水中元素的存在形式以及运移方式提供了有力的手段[8]。

4 结语

水文地质条件是确定高放废物处置库场址的重要因素之一,水文地球化学在高放废物处置库的选址与评价中的作用不言而喻。高放废物地质处置是一项高科技的、涉及多学科的系统工程,面临很多的问题与挑战。高放废物处置库的选址一般多位于干旱少雨地区,而这些地区又不利于较好地开展水文地球化学研究工作,所以,如何更好地应用水文地球化学方法来服务于处置库的选址与评价是我们今后工作的重点与方向,可以说,水文地球化学在高放废物处置库选址工作中的应用任重而道远。

[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,刘淑芬,吕川河.高放废物处置系统地下水同位素特征[J].地球学报,2005,24(6):525-528.

[3]郭永海,王 驹,金远新.世界高放废物地质处置库选址研究概况及国内进展[J].地学前缘,2003(3):8-9.

[4]郭永海,王 驹.高放废物地质处置中的地质、水文地质、地球化学关键科学问题[J].岩石力学与工程学报,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]张展适,周文斌,李满根.水力压裂处置中镎、钚迁移行为的模拟研究[J].原子能科学技术,2003,37(6):533-537.

[8]郭永海,刘淑芬,苏 锐,等.高放废物处置库预选场地水文地球化学模拟[J].地质与勘探,2003(7):11.