[發明專利]一種基于兩尺度模型的膨潤土中核素遷移評估方法

在審

• 申請號: 201610749023.1
• 申請日: 2016-08-29
• 公開（公告）號: CN106815391A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 李洪輝;李鵬;趙帥維;賈梅蘭;毛亮;劉偉
• 申請（專利權）人: 中國輻射防護研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙)11311
• 代理人: 任曉航,劉廣達

技術領域

本發明屬于放射性廢物處置技術領域，具體涉及一種基于兩尺度模型的膨潤土中核素遷移評估方法。

背景技術

高水平放射性廢物(High Level Radioactive Waste，簡稱高放廢物，HLW)主要來自于核燃料后處理廠的高水平放射性廢液(簡稱高放廢液)，以及少量直接當廢物處置的乏燃料元件。高放廢液包括乏燃料后處理工藝中鈾钚共去污循環產生的萃余液，以及鈾鈍化循環、钚鈍化循環等后續工序產生的部分處理廢液。后處理過程中，乏燃料中含有的不揮發性裂變產物基本上都進入到高放廢液，亦即高放廢液包含了核燃料后處理過程中99％以上的放射性核素，構成了高放廢物的主體。

高放廢物具有放射性活度高、核素半衰期長、毒性大、發熱率高、長期輻射危害嚴重等特點，對人類及其賴以生存的自然環境存在著極大的長期潛在危害；根據我國2005年制訂的核電發展規劃，2020年核電裝機容量將達到4×107kW，在建裝機容量1.8×107kW，我國大型核燃料后處理廠計劃于2025年后運行，屆時每年將產生數百立方米的高放廢液，隨著核電規模的進一步擴大，還會產生更多的高放廢液。故其安全處置是關系核技術利用、核能可持續發展的重大問題，處置的核心思想是如何把高放廢物與人類生存環境安全隔離，以保證人類及其環境的安全。

高放廢物地質處置體系是由高放廢物固化體、廢物容器及其外包裝、緩沖/回填材料、處置庫圍巖組成，前三者構成了人工屏障，圍巖是天然屏障。緩沖/回填材料是最后一道人工屏障，其材料的選擇和工程特性對高放廢物地質處置系統的安全有重大影響，緩沖/回填材料作為高放廢物處置系統中的工程阻擋層部分，填充在廢物容器及其外包裝和圍巖之間，它應當起到的作用包括：(1)工程屏障作用，維護處置庫結構的穩定性，緩沖圍巖壓力對廢物罐的影響；(2)水力學屏障作用，填充在廢物容器周圍并封堵圍巖表面上的裂隙、孔隙，阻止或延緩地下水(溶液)到達廢物容器表面；(3)化學屏障作用，限制氧化劑到達廢物容器表面，延緩容器對高放廢物的保護期；并當廢物容器被蝕穿，高放廢物固化體受地下水浸蝕釋出核素時，阻滯核素向圍巖的遷移。(4)導熱作用，應能較快速的傳導高放廢物中核素衰變產生的熱量，避免熱量的累積。基于以上考量，膨潤土材料以其極低的滲透性和優異的吸附性能成為高放廢物地質處置系統緩沖材料的首選。

從地質處置安全評價角度來看，一個極為關鍵的問題是，千、萬年后，當廢物包裝容器被蝕穿，在地下水侵蝕下高放廢物固化體中放射性核素浸出成為必然時，膨潤土緩沖材料可以多大程度上阻滯核素的遷移，要想獲得微量核素在膨潤土緩沖材料中遷移的定量信息，以及長時間尺度上核素遷移在外界物理、化學條件改變時的變化規律，僅依靠實驗室試驗是不夠的，必須在試驗研究的基礎上，基于核素在膨潤土中的遷移過程機理，建立能夠描述該過程的理論數學模型，并使用該模型對高放廢物地質處置庫膨潤土緩沖材料中核素遷移過程做定量分析和預測。

核素在膨潤土中的遷移要受到諸多物理、化學因素的影響，其中最為關鍵的幾個因素包括：含核素溶液在膨潤土中的滲流、核素在膨潤土孔隙中的反應和吸附以及膨潤土中核素的擴散。

核素在緩沖回填材料實際遷移過程中伴隨的反應過程機理太過復雜，涉及到不同的化學條件下吸附、離子交換、絡合等地球化學反應，這些復雜反應影響了核素在膨潤土中滯留、遷移的分配情況，決定著最終遷移離開膨潤土的核素分布。基本模型對這一復雜過程做了簡化，使用等溫線性吸附模型來描述膨潤土中核素滯留、遷移分配情況，通過實驗來獲取相關分配系數。這樣處理方式的優點是便于模型計算和求解，參數易于通過實驗獲取，但同時這一簡單的分配方式也必然掩蓋了實際遷移過程中的諸多細節，帶來了一定的誤差，因此有必要建立更為合理的膨潤土中核素遷移模型。

發明內容

本發明所提供的技術，其目的是指導高放廢物地質處置安全評價工作中緩沖回填材料中核素遷移計算。

本發明首先對膨潤土的物理、化學性質、滲流、核素在膨潤土中的吸附及核素擴散等方面的實驗研究結果做梳理分析，并歸納總結了膨潤土中核素遷移的模型研究現狀，在此基礎上建立描述核素在膨潤土中遷移的理論數模，求解分析長時間尺度上核素在膨潤土中的分布以及核素遷移通量，并考察不同物理、化學因素對核素遷移的影響,并建立兩尺度模型。