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核素在包气带中迁移的数值模拟研究

朱欢  
【摘要】: 近几十年,核工业得到了迅猛发展,但在此同时,又给人们提出了一个更加严峻而且急需解决的问题:如何安全,经济,有效的处置“核废物”!目前,对于低,中放废物的安全处置已经有了较成熟的技术,而高放废物由于其含有强毒性,长半衰期的放射性核素,仍没有一个国家能将其成功的安全处置。目前高放废物处置普遍接受的可行性方案是深地质处置,即将高放废物埋在几百米厚的包气带中,使其与人类生存环境永久的隔离开来。239Pu属于超铀核素,是高放废物中核素的成员之一。研究其在包气带中的迁移规律具有重要意义。 本文深入分析了国内外已有的研究成果,在多孔介质流体动力学和水分溶质运移理论的基础上,利用Ku-pF实验和自行研制的土柱实验,测定了包气带的土壤水分特征参数,建立了核素在包气带中迁移的数学模型,根据实际情况确定不同的模拟方案,运用HYDRUS-1D软件对核素239Pu在包气带中的迁移进行了数值模拟,获得了239Pu在包气带中的迁移的一些规律。如下: 1.通过室内土柱实验和Ku-pF非饱和导水率测量实验的结果表明,相同扰动土样在不同尺度下测定的包气带水分特征参数具有一致性。 2.包气带中的水分运移研究是核素迁移研究的基础。进行水分运移研究,能为核素迁移研究提供必要的土壤水分特征参数。核素的迁移速度和水分的运移速度是成正比的。包气带浅层水分分布和运移情况明显受到地表降雨蒸发的影响。在干旱的以砂质粘土为主的大厚度包气带中,孔隙水的流速很小,稳定时刻的孔隙水流速的数量级为10-4m/d。孔隙水流速如此之小,使分子扩散作用加强。因此,尽管包气带中的平均流速是向下的,但由于核素的分子扩散作用,使核素出现了向周围迁移的现象。在厚度大而降雨量少的干旱包气带中存在水分运移的基本稳定带。 3.三种情景下模拟结果对比表明:该研究区包气带对239Pu具有强烈的滞留能力。基本情景下时,包气带中239Pu的浓度峰值在20000年后仍没有向下迁移。核素239Pu在包气带中的迁移速度呈现非均匀性。有一小部分核素迁移速度较快。虽然只有很小一部分核素迁移较快,但是在核废物处置的安全研究中是不容忽视的,要给予足够的重视。降雨入渗量是影响核素239Pu向下迁移速度和垂向扩散速度的主要因素。降雨入渗量大,则核素239Pu向下迁移速度快,降雨入渗量小,则核素239Pu向下迁移速度慢。 4.核素在三种介质中迁移的模拟结果对比表明:在相同的上边界条件下,水在砂质粘土中的迁移较慢,砂质壤土次之,在壤质砂土中迁移最快。核素迁移的速度和水分是呈正比的。因此,砂质粘土对核素239Pu的吸附滞留作用最强,最适合用于核素239Pu的处置。而壤质砂土最不利于核素239Pu的处置。


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