胶体影响下核素随地下水在裂隙岩体内的迁移规律研究

with the development of nuclear power in China, it is urgency andimportant to dispose high-level nuclear waste. However, it is a key and difficult point to study the radionuclide transportation with colloid and underground water in fractured rock mass. In this application, U-235 radionuclide and the fractured granite rock mass in Beishan in Gansu provice is analyzed. The coupled finite element method and discrete element method(FDEM) is adopted. Considering the effect of joint roughness, the hydro-mechanical behavior of fractured rock mass is analyzed and the hydraulic velocity of underground water will be obtained. The colloid formation process is investigated with chemical tests. The relationships between partition coefficient Kd and PH value and nuclide concentration are studied. Considering the effects of colloid, absorption, delay and matrix diffusion, the radionuclide transportation equation is established. Combining the time domain random walk method (TDRW) and FDEM, the transportation of radionuclide with colloid and underground water in fractured rock mass is studied. Theory analysis and numerical method in this work are useful for safety analysis of high-lever nuclear waste disposal. This is important for design, construction and safety operation of high-lever nuclear waste disposal.

随着我国核电事业的飞速发展，如何安全处置高放废物成为一个关系到我国核事业可持续发展的不可回避的重大问题，而胶体影响下核素随地下水在裂隙岩体内的迁移规律是重点和难点。本项目以甘肃北山预选库为工程依托，以铀235和花岗岩裂隙岩体为研究对象，拟采用离散元有限元耦合方法（FDEM）；考虑节理粗糙度的影响，研究裂隙岩体的水力耦合特性，揭示地下水渗流规律；通过室内化学实验，分析胶体的形成机理，研究胶体影响下核素分配系数随PH值和核素浓度的变化规律；考虑胶体作用、基质内扩散、吸附、衰变等效应，建立节理及基质内的核素迁移模型；将时间域随机粒子跟踪法（TDRW）与FDEM结合，研究胶体影响下核素随地下水在裂隙岩体内的迁移机制，为高放废物地质处置的安全性评价提供理论依据和技术支撑，对高放废物地质处置库的设计、施工及安全运营起到指导作用。

随着核技术的广泛应用，由此产生的医疗、军用及核电站等放射性废物的存量越来越多，建造高放废物地质处置库的需求越来越迫切，而处置库中放射性能否随地下水迁移出处置库、污染生物圈是民众非常关心的问题。在处置库安全评估中，核素的迁移受地下水、裂隙岩体水力耦合特性、胶体等多方面的影响，是关键问题。因此，本项目以甘肃北山预选库为工程依托，通过室内试验研究了花岗岩的单轴、巴西劈裂及三轴条件下的变形特性，通过数值模拟得到了单条粗糙节理网络的形态并分析了节理粗糙度对节理内水流流动规律的影响，给出了粗糙节理内水流流量与隙宽的计算公式，揭示了单条粗糙节理内水流流动的规律。应用Monte-Carlo法模拟了北山预选库场址处的二维裂隙网络模型，并研究了裂隙岩体的水力学行为，为后期核素迁移计算提供了流速场的分布情况。由于YHFDEM程序是基于离散元有限元耦合程序FDEM开发的面向对象的程序，可直接使用ABAQUS软件建模得到的INP文件进行计算，可操作性比原始的FDEM程序强，因此在YHFDEM程序的基础上嵌入了渗流计算模块。通过地下水化学成份分析，给出了北山地下水水文地质情况，揭示了地下水中胶体形成的物理机理及化学机理，分析了铀在地下水中存在的形态。通过理论研究，分析了单个胶体颗粒在节理内的受力情况，建立了单个胶体颗粒的运动方程，最终建立了胶体颗粒群的连续性方程。考虑了胶体对核素的载带作用，建立了核素在节理的迁移方程，揭示了胶体影响下核素的迁移规律。应用数值分析方法TDRW法，数值模拟了核素在胶体作用下的迁移行为，分析了核素在预选库裂隙岩体内的迁移规律，为高放废物处置库的安全评估提供理论和方法。