地气作用下地质处置核废物中核素迁移的行为研究

摘要

地质处置库核废物中核素迁移行为研究是核废物地质处置安全评价的一个重要内容，可以为核废物处置选址提供参考依据。目前大多数学者主要是以水为介质对放射性核素在地质处置环境下的迁移行为展开研究。而地质环境是复杂的，尤其是对于高放废物自身的高活度和强释热，加上处置库本身可能处于地下几百至上千米，形成一个温度场和辐射场多场作用下的复合场，因此有必要开展针对地质环境中核素迁移的多元化研究。
　　本文以地气流为核素迁移的载体，探究核素在土壤中的迁移和滞留行为，探讨其在地气流中的运移机制:
　　(1)建立地气迁移柱模型，用中子活化后的核素模拟核废物，利用放射性检测方法，讨论地气作用下核素迁移行为的可行性。
　　(2)利用多物理场耦合仿真软件，对饱和多孔介质下的气体流动、物质的吸附与传递、多孔介质热传递多物理场耦合数值模拟。探讨不同条件下核素在土壤多孔介质的迁移与滞留规律。
　　(3)通过建地气土柱模型，在实验室探究Sr、Ce、La、U四种核素在不同介质、不同高度、不同存贮方式下的迁移与滞留问题。并与多物理场耦合模拟分析结果对比，以验证计算机模拟数学模型的可靠性。
　　(4)开展天然类比试验，以粤北某铀矿为研究对象，对地气作用下核素远场迁移规律进行探讨。
　　论文主要取得如下研究成果:
　　(1)通过建立不同条件下的土柱实验模型，找出以下规律性认识:模拟四种核素在土壤中迁移能力大小依次为:Sr、Ce、La、U。土壤对Ce元素的滞留作用最强，对La元素的滞留能力最弱。固化后的核素迁移量明显弱于未固化的核素，固化处理对阻滞核素迁移有明显效果。
　　(2)利用多物理场耦合仿真软件计算得到结论:核素质量浓度会随着迁移距离呈指数级下降。初始质量浓度的大小对核素在土壤介质中的迁移能力影响较小，气体流速对纳米级颗粒在土壤中的吸附与滞留作用有很大影响。孔隙率较大的多孔介质，对核素的滞留能力较强。
　　(3)天然类比实验中证实天然隐伏矿体中的核素可以穿过致密围岩随地气流迁移至近地表，且迁移量的大小与矿体品位呈正相关性。中间深度矿体垂向上方的U异常幅值较小。矿体产状中倾角对U元素异常幅值有影响，异常幅值在1.8-5.0的隐伏矿体中的倾角大多在70°-78°之间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核废物地质处置概况

1．2 选题依据及研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 核素迁移研究现状

1．3．2 国内外地气作用下元素迁移研究现状

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 放射性核素的地气迁移可行性研究

2．1 地气物质迁移的基本理论

2．2 放射性废物的固化

2．3 实验模拟方案设想

2．4 地气作用下核素迁移的模拟模型建立

2．4．1 实验模型方案设计

2．4．2 可行性研究的模拟核废物的制备

2．4．3 可行性实验模型建造

2．5 样品的分析检测

2．6 可行性实验结果分析与讨论

第3章 地气作用下核素迁移的耦合模拟

3．1 多孔介质传输现象

3．1．1 多孔介质

3．1．2 结构参数与特性参数

3．2 饱和多孔介质流体流动数学模型

3．2．1 连续方程

3．2．2 运动方程

3．2．3 能量方程

3．3 土壤吸附与核素滞留数学模型

3．4 COMSOL多物理场仿真软件及模型建立

3．4．1 COMSOL多物理场仿真软件介绍

3．4．2 模型建立

3．4．3 计算结果

第4章 核素迁移近场实验研究

4．1 实验模型中模拟核素的选取

4．2 模拟核素玻璃固化体的制备

4．2．1 制备模拟核素玻璃固化体的方案

4．2．2 玻璃固化体的制备

4．2．3 玻璃固化体的物化性能检测

4．3 U的水泥固化

4．4 地气核素迁移土柱模型的设计与制作

4．4．1 地气迁移土柱模型的设计

4．4．2 地气核素迁移土柱模型的制作

4．5 土柱模拟模型的采样

4．6 分析结果与讨论

4．7 近场迁移模拟结果与讨论

4．7．1 不同厚度土壤核素滞留对比分析

4．7．2 不同初始浓度土壤多孔介质中的核素滞留

4．8 不同地质环境中迁移规律初步探讨

第5章 核素迁移远场实验研究

5．1 天然类比实验研究的基本考虑

5．1．1 类比场地选择的依据

5．1．2 实验剖面选择

5．2 采样方法

5．3 粤北某铀矿区地气测量

5．3．1 研究区地质概况

5．3．2 地气测量工作部署

5．3．3 地气信息资料整理与分析讨论

结论

展望

致谢

参考文献