开挖损伤区(EDZ)对核素迁移的影响

孙 琦，章晓崑，张振涛

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

根据国家核电发展现状和规划，截至2019年12月底，我国在运核电机组47台，装机容量4 875万kW，位居全球第三，占全国总装机的2.42%；在建核电机组13台，装机容量1 387万kW，在建规模保持全球领先。2019年，在运核电机组总发电量3 481.31亿kW·h，占全国总发电量的4.88%[1]。到2050年我国的发电总量将达2～3 TW，预计核电装机将达到200～300 GW，占总发电量15%～20%左右[2]。

随着我国核电事业的飞速发展，高放废物的处理和处置，将成为一个重大的安全和环保问题。每增加一座百万千瓦级的核电厂，每年将多产生约22 t重金属乏燃料，每个堆全寿期共产生约1 320 t重金属乏燃料。如果我国核电规模达到100 GW，则所有核电厂产生的乏燃料总量将达到138 070 t重金属[3]。

各国提出过多种高放废物处置方案。核嬗变法是指把长寿命放射性核素从高放废物中分离出来，放入反应堆或加速器中用嬗变方法变成短寿命或非放射性核素，该方法可使放射性废物的长期危害降低到最小,实现放射性废物的减害处理，但是该方法费用十分昂贵,目前很难实现。稀释法是将核废物极度稀释至对生态环境无害的水平,高放废物的半衰期很长，稀释成本高，所以稀释法不适宜高放废物[4]。隔离法将核废料与生物圈长期隔离,使放射性核素不能进入生物圈或进入生物圈之前已经不会对其产生危害。隔离法又包括太空处置、海洋处置、冰层处置及地质处置等,其中冰层处置与太空处置仅是一种设想。通过对各种方案的分析和对比，许多国家对地质处置的安全性与现实性达成共识,并认为高放废物地质处置是最现实、可行的方法[5]。

在处置库建造阶段，由于开挖使得围岩中应力重新分布，围岩发生扰动，岩体内部原生裂隙出现扩展、连通，产生新生的微裂隙,岩体的渗透系数变大，出现这种变化的部位称为开挖损伤区(excavation damaged zone, EDZ)[6]。处置库建造阶段形成，由裂隙发育而来的EDZ是放射性核素的重要迁移通道。处置库废物体中的放射性核素会持续衰变释热造成围岩温度升高，影响处置库的密封性和稳定性，放射性核素在长期的地质埋藏过程中辐射剂量泄漏风险也会随之升高[7]。EDZ位于高放废物处置库工程屏障和远场围岩中间，对于整个处置场的安全评价具有不可估量的重要意义。自上世纪末期，国内外众多科研工作者对EDZ在核废物处置库安全性的评估影响开展了大量工作，进行了系统全面的理论研究[8-9]。本文综述了EDZ对核素迁移的影响，旨在为处置库工程性状的评估及长期安全状态的评定提供参考依据。

1 处置库概念设计及模拟

高放废物深地质处置是将高放废物隔离在500～1 000 m以下的地质介质中[10]，采用多重屏障，工程屏障系统(engineering barrier system, EBS)和天然屏障系统(natural barrier system，NBS)来阻滞放射性核素从处置库向生物圈的迁移。处置屏障系统的近场(near field)和远场(far field)构成示于图1。工程屏障系统被称为近场，包括废物固化体、处置罐、缓冲/回填材料，天然屏障系统远场指的是阻滞放射性核素从处置库向生物圈迁移的天然地质体，即围岩[11]。我国目前已经初步选定甘肃北山地区为处置库的重要预选区域，内蒙古高庙子钠基膨润土为处置库的首选回填材料，北山花岗岩为处置库的重要预选围岩[12]。

图1 处置屏障系统的近场和远场构成[11]

围岩的挖建会产生宏观裂隙和微观裂隙，不同模型在描述裂隙中核素迁移时具有不同的优势和不足，目前核素迁移的研究中多数仅使用其中一种模型来概化裂隙介质，模型的选取对核素在裂隙介质中迁移影响的研究较少。彭志娟[13]使用美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的用于模拟多组分多相流的TOUGH2运算平台进行模拟，采用不同的数学模型概化裂隙对129I、135Cs在裂隙介质中迁移的影响，分别建立了EDZ模型和阻滞放射性核素从处置库向生物圈迁移的天然地质体的模型，即远场模型。EDZ模型由等效连续(EC)模型和双重介质(DP)模型进行概化，结果表明，在相同的时刻，129I和135Cs在EC模型中的浓度大于在DP模型中的浓度；在相同的位置，129I和135Cs在DP模型中的浓度会率先达到峰值；129I和135Cs在DP模型中的迁移速度更快。对比129I 和135Cs在EDZ模型与远场模型中模拟结果可知，EDZ模型中129I 和135Cs的迁移速度大于远场模型中的迁移速度，说明EDZ的存在会加快129I和135Cs迁移。对比等温和变温条件下EDZ模型与远场模型的结果发现，温度升高后，EDZ模型中129I 和135Cs的迁移速度仍大于远场模型中的迁移速度。

根据理论模拟，EDZ区裂隙的断口边缘与废物容器之间的距离对核素迁移速率影响很大[14]。季瑞利使用ACRi(Analytic & Computational Research, Inc.)公司研发的Porflow模拟软件进行了模拟运算，设置了三个情景(图2)：情景(a)和情景(b)中放射性核素可直接通过EDZ区扩散到裂隙内部，其中情景(a)模拟处置坑围岩内不存在EDZ区，情景(b)模拟处置坑围岩内存在EDZ区；情景(c)包含两个算例，分别模拟裂隙与EDZ区间距0.10 m和0.20 m。三个情景中其他条件不变，着重关注放射性核素135Cs从EDZ区向裂隙迁移，以及135Cs在裂隙内的迁移。研究人员观察到，相同时间下135Cs在裂隙内的活度：情景(b)中135Cs在裂隙内的活度>情景(c)中135Cs在裂隙内的活度>情景(a)中135Cs在裂隙内的活度。情景(c)中，岩体内裂隙与EDZ区距离越远，裂隙内135Cs放射性浓度上升速度越慢，即岩体内裂隙距离EDZ区越远，扩散到其中的135Cs活度越小[5]。即EDZ区裂隙的断口边缘与废物容器之间的距离越大，核素迁移量越小。

B—膨润土；W—废物体；E—EDZ 区；F—裂隙；G—完整花岗岩

2 EDZ区的裂隙水对核素迁移的影响

EDZ中的裂隙地下水是进行安全评估的重要因素[15]。裂隙水化学是一个热门话题，因为裂隙水的组成和相关的物理化学参数(酸碱度-pH、氧化还原电位-Eh)直接控制着处理系统中发生的迁移过程，并影响到核素迁移过程。更具体地说，裂隙水化学实验对于理解和预测放射性核素的化学形态、溶解性和吸附性以及支持迁移研究至关重要。因此，对粘土岩裂隙水组成及其潜在的地球化学和运移过程的认识，是安全评估所需科学基础的重要组成部分。这就需要对实际可能发生放射性核素释放的条件下，受干扰或损坏的EDZ的特征和行为进行评估[16]。

2.1 裂隙水中的化学反应对核素迁移的影响

2.2 裂隙水中的pH和Eh对核素迁移的影响

Beall等[19]研究了核素在不同pH和Eh条件下在花岗岩中的吸附，指出Np5+和Pu6+被含Fe2+矿物还原为Np4+和Pu4+后被吸附。Eh对吸附的影响总是和核素价态相联系，而pH的影响与不同价态核素水解能力相关[20]。北山三号井地下水的氧化还原电势为83.2 mV，U和Tc在此状态下的溶解能力较强，Se相对较低，且溶解态的U、Tc和Se主要以阴离子形式存在，迁移能力强[21]。Allard等[22]总结了锕系元素在地质介质中的吸附行为，指出在大多数环境条件下低价锕系元素易吸附在地质材料上，一般在溶液中主要是在生成中性氢氧化物的pH范围内观察到最大吸附；生成阴离子络合物后，吸附减少。章英杰与贯鸿志等[23-24]在研究中发现，随着溶液pH升高，花岗岩对于Pu与Am的吸附能力增强。北山地下水的pH在6.8～8.4[25]，在此条件下，U和Tc的溶解度相对较高，Se的溶解度相对较低，而Np的溶解度更低，溶解态的U、Tc和Se主要以阴离子的形式存在，很难被作为核废物处置库围岩或者缓冲或回填材料的花岗岩和黏土矿物吸附[21]。即裂隙中U、Tc和Se易迁移，Pu和Am次之。

3 EDZ区的胶体对核素迁移的影响

裂缝与钻孔周围的EDZ相交，导致在膨润土/花岗岩边界处产生水流，并在此处产生胶体。放射性核素通过膨润土缓冲液扩散，并释放到裂隙水中。然后，放射性核素部分溶解在溶液中，部分扩散到花岗岩基质中或吸附在胶体上，足够浓度的胶体能够影响放射性核素的迁移[26]。因为胶体不能穿透花岗岩的基质孔隙，因此只能在裂隙中运移。所以，吸附在胶体上的放射性核素也被排除在基质扩散之外，这通常是导致放射性核素在花岗岩基质介质中阻滞的最重要原因之一。此外，被胶体吸附的放射性核素在其他地方也不能被吸附。这两种效应都会导致放射性核素加速运输。胶体促进核素迁移的影响取决于胶体上核素的分配系数，分配系数最高的是锕系元素以及Ni、Zr、Nb和Sn。胶体的存在加速了放射性核素的运输过程。由于放射性核素的放射性衰变，更短的传播时间也可能导致更小比例的衰变核素，从而导致更高的剂量率。Rübel等[27]发现126Sn产生的剂量率的最大值因胶体促进迁移而增加约2倍。胶体浓度在1 ppm时已吸附了最大量的126Sn。当胶体浓度为1 ppm时，对240Pu的影响可以忽略不计；当胶体浓度为10 ppm时，240Pu的剂量率增加约为1.5倍；而当胶体浓度为100 ppm时，对240Pu的增加约为20倍。由放射性物质作为分散相或分散相组分之一所形成的胶体，根据溶液介质条件的不同，可分为真胶体与假胶体。其中真胶体具有胶体的一切特性，而假胶体中的放射性核素能以离子状态透过半透膜，当胶粒大于100 nm时，又可用离心法沉降。Nagasaki等[28]研究了不同 pH 和不同离子强度时，蒙脱土胶体和锕系元素假胶体的迁移现象发现，当Am和Np被吸附时易形成可分散的假胶体时，大部分Am3+和Np5+穿过了石柱，表明胶体促进了以上两种核素的迁移。Huber[29]发现水中存在胶体时，核素232Th4+、242Pu4+和243Am3+会从胶体上解吸。上述实验结果表明，EDZ区的裂隙中的胶体会加速核素的迁移。

4 EDZ区的膨润土对核素迁移的影响

我国高放废物地质处置拟采用膨润土作为缓冲或回填材料。EDZ裂隙中会挤压进入膨润土，挤入的膨润土则会限制放射性核素的迁移。膨润土的挤压速度受温度影响，钠型膨润土比钙型膨润土的挤入速度快[30]。钠型膨润土和钙型膨润土在不同温度下，膨润土挤出区域中均出现了浓度峰值。出现浓度峰的原因主要是由于固相传输。在裂缝与缓冲区的交点附近，空隙率低，固体颗粒含量高，液相中的放射性核素迁移受到高度抑制。大量的放射性核素吸附到固体材料上，并通过固相运动进行运输。然后在浓度较低的液相发生解吸。当这些放射性核素在液相中扩散回去时，就会产生一个浓度峰值[31]。以Cs和Np为例进行研究，Cs浓度峰值随温度升高而降低，因为Cs在较低温度下具有较高的吸附能力，迁移受到抑制；温度升高，膨润土挤入速度加快，孔隙率降低，Cs的吸附分配系数降低。处置库中在二者的共同作用下，Cs是唯一浓度峰值随温度的升高而减小的放射性核素。随着扩散的增加和吸收的减弱，迁移实际上得到增强。因此，持续升高的环境温度可能会降低膨润土中Cs的含量。Np的吸附分配系数随温度的升高而增大，Np的吸附量增加，Np的浓度峰值增大。孔隙率随挤出速度的增加而降低，并且在较高温度下的高吸附性极大地抑制了裂缝中的迁移。由于扩散的增加，基本上抵消了增强的迁移[32]。浓度峰值的增加证实了这一点。对于两种膨润土类型，这些趋势保持一致。实际地下工程中EDZ区内存在很多裂隙，这些裂隙是放射性核素从工程屏障迁移到远场的重要通道，因此，如果能在膨润土和EDZ区之间充填对放射性核素阻滞效果比膨润土更好的材料，通过改进地下工程设计、提高施工工艺、降低EDZ区的厚度及其与处置库围岩内裂隙之间的连通性，可以提高EDZ区对放射性核素的阻滞效果。

5 结论与展望

目前国内外在EDZ对于核素迁移影响的研究领域中已开展了大量工作，研究方法也较为成熟，总结对其影响因素主要包括：核素自身性质、裂隙水作用、Eh-pH、裂隙充填物以及裂隙中的胶体等，且各因素之间相互促进或制约，共同体现着影响作用。EDZ区的裂隙会加速核素迁移，并且裂隙的断口边缘与废物容器之间的距离越大，核素迁移量越小。裂隙中U、Tc和Se易迁移，Pu和Am次之；裂隙水中的化学反应、裂隙中的膨润土对核素的迁移有阻碍作用；裂隙中的胶体则会加速核素的迁移。通过相关文献阅读，可获得关键核素在EDZ中的迁移信息，初步掌握迁移规律，为地下实验室运行阶段开展核素迁移实验提供技术储备。但现有的迁移模型只针对某一影响因素建立，模拟精度十分有限，随着计算机技术的革新以及实验的开展，未来所建模型将会从忽略大量影响因素的简单模拟模型发展到考虑更多影响因素的模拟模型，从而大大提高模拟精度。同时也需要在工程施工上优化方法，减少裂隙发育生成EDZ区，增加地质处置库的安全性和稳定性。