铀、镅在矿物-水界面吸附现象的分子动力学模拟研究

The nuclear industry in China has celebrated she’s 60-year anniversary, some nuclear facilities badly need decommissioning and management, in the mean time, the radioactive wastes produced from the fast development of nuclear power need treatment and disposal too. The sorption, diffusion and migration of radionuclides in the environmental medium are important bases for the safety assessment of decommissioning of nuclear facilities and radioactive wastes, especially high level radioactive wastes disposal facilities. Laboratory batch experiments and column experiments can provide with sorption and diffusion parameters for some radionuclides, while these information is far from understanding the micro-processes of radionuclides with the environmental medium. Molecular dynamics simulation concerns the reactions among molecules, based on the settled force fields of molecules, the molecules move continuously, and we can predict the movement rules of molecules by observing the final position and amounts of the simulated molecules. This project will use molecular dynamics simulation techniques to study the sorption and diffusion of uranium and americium in site specific mineral/water interface, thus to obtain the micro-diffusion and distribution parameters in the system interested, and to provide basic data to the safety assessments for the decommissioning of nuclear facilities and waste disposal facilities.

我国核工业已走过60年的发展历程，一些核施设面临退役和治理的迫切要求，同时，核电快速发展产生的放射性废物也需要处理和处置。放射性核素在环境介质中的吸附、扩散和迁移规律是评估核施设退役治理效果以及评价放射性废物尤其是高水平放射性废物（高放废物）处置库安全性的最重要基础。实验室静态和动态实验研究能够提供一些核素在特定介质中的吸附和扩散参数，但这些参数不足以使我们全面认识这些核素与环境介质的微观作用过程。分子动力学模拟充分考量分子间的相互作用，通过建立相互作用分子间的力场，使其在连续的力场作用下发生位置上的变化，通过观察其终态位置和数量推断其运动规律。该技术可帮助我们了解不同物质间的微观作用过程。本项目拟利用分子动力学模拟技术研究铀和镅在特定场点矿物/水界面上的吸附与扩散，获得这2个核素在相应体系中的微观扩散和分布参数，为我国核施设退役治理及高放废物地质处置安全评价提供基础数据。

铀矿的开采、铀的加工精制、核武器的制造、放射性废物的处理等人类活动，使得铀逐渐成为土壤和地下水中的重要污染物。铀具有化学毒性和放射性，而且半衰期长，其在环境中的扩散迁移行为受到人们的广泛关注。了解铀在自然界中的扩散迁移等行为，对高放废物地质处置的安全评价具有重要意义。叶腊石是一种表面不带电的中性粘土，同行对其研究较少，本项目采用分子动力学方法研究了铀酰在叶腊石表面的吸附和扩散，在地质处置过程中，高放废物与周围环境存在能量交换，核素的衰变也会释放能量，从而导致处置库的温度发生变化，因此重点探究了温度对铀酰吸附和扩散的影响。碳酸根离子与铀酰存在较强的作用力，不同数目的碳酸根离子与铀酰结合会形成多种铀酰种态。在不同温度的模拟中，得到了UO22+、UO2CO3、UO2(CO3)22−、UO2(CO3)34−四种铀酰种态和铀酰聚合物。通过原子密度图，观察了粒子在溶液中的分布情况。发现UO22+和UO2CO3容易吸附在叶腊石上，而UO2(CO3)22−和UO2(CO3)34−主要存在于扩散层中。随着时间的推移，越来越多的碳酸根离子与铀酰配位，使得铀酰在叶腊石上的吸附逐渐减少。本文计算了不同温度下，各铀酰种态的扩散系数。在扩散层中，各种态的扩散系数随温度的变化较为一致，而在吸附层中，UO22+和UO2CO3 的扩散速率随温度的变化较UO2(CO3)22−和UO2(CO3)34−慢。但是在同一温度下，同一个吸附层或扩散层中，铀酰种态的扩散系数大小顺序始终保持不变：UO22+> UO2CO3>UO2(CO3)22−>UO2(CO3)34−。说明在碳酸根存在的情况下，UO22+可能是主要的扩散形式。