分子尺度下Cs在北山花岗岩中的吸附机理研究

Nowadays, the whole world has paid more attention to the deep geological disposal, which is a temporarily safety method to avoid the high level radioactive waste (HLRW) releasing to biosphere environment. Thereby migration behaviors of radionuclides become the prior consideration factor in the performance evaluation and safety assessment of the repository. In this proposal, the adsorption and desorption of key fission product radiocesium (RCs) including Cs-137, Cs-135 and Cs-134 in natural barrier, i.e., granite were studied at macro- and micro-scales using batch and spectroscopies such as extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) and electron probe micro-analyzer (EPMA), etc. The relationship between environmental factors and adsorption species of RCs on granite will be demonstrated. Moreover, a quantitative model based on thermodynamic would be constructed to predict the geochemical behaviors of RCs in granite. The results will be expected to illustrate the sorption/desorption mechanism of RCs on granite at different conditions, which is also of very importance to the evaluation of performance and safety of Chinese geological repository for HLRW as well as environmental protection.

高水平放射性废物的安全处理和处置是世界上许多国家正面临的集政治、经济、科技、环境保护以及核能可持续发展为一体的重大难题之一。本项目旨在分子水平上研究易迁移的裂变产物放射性铯(如Cs-137、Cs-135和Cs-134)在处置库天然屏障花岗岩中的微观吸附机理。拟采用批式实验法、电子探针分析(EPMA)、以及基于同步辐射技术的扩展边X-射线吸收精细结构分析(EXAFS)和X-射线荧光光谱(µ-XRF)等技术阐明放射性铯与北山花岗岩相互作用过程；重点考察环境因素与铯在花岗岩中吸附形态之间的关联，进而揭示铯的微观吸附形态与其在花岗岩中的迁移/滞留的关系。构建可量化计算和准确预测放射性铯在北山花岗岩中地球化学行为的模型，可为我国核裂变能的可持续发展及环境保护提供重要的基础理论和科学决策依据

针对我国高水平放射性废物地质处置库所涉及的核素迁移和转化等关键科学问题，项目对北山地下600米处花岗岩进行了系统的物理化学表征，阐明了放射性铯（RCs）在北山花岗岩表面的微观吸附行为。XRD分析表明长石、云母和石英是北山花岗岩的主要组成矿物。采用静态批式法考察了环境因素对RCs在北山花岗岩表面吸附行为的影响机制，发现pH对Cs(I)在花岗岩表面吸附的影响较小，因为Cs(I)在花岗岩表面主要发生离子交换作用。温度对Cs(I)在北山花岗岩表面吸附有一定的促进作用，北山地下水化学组成对Cs(I)的吸附和解吸行为有着重要影响，天然有机质对Cs(I)的吸附有一定的抑制作用。结合静态吸附实验和同步辐射微区X射线荧光光谱（µ-XRF）系统研究了北山花岗岩组成矿物对Cs(I)吸附行为的调控作用，发现长石类矿物和黑云母对Cs(I)在北山花岗岩表面吸附和阻滞起到了主导作用，尤其是黑云母含量增大有利于Cs(I)在花岗岩表面形成较为稳定的内层络合物，这有利于Cs(I)的吸附和固定。长石类矿物含量对Cs(I)在花岗岩表面的吸附形态无显著影响。采用同步辐射扩展边X射线吸收精细结构（EXAFS）阐明了Cs(I)在北山花岗岩表面上的吸附形态和微观机制。构建了可定量描述RCs在花岗岩表面的三位点吸附模型（GAM），利用GAM模型揭示了北山地下水对RCs在花岗岩表面吸附行为的影响，并验证了GAM模型预测真实环境体系中RCs的迁移和转化行为的普适性。采用穿透实验研究了不同环境因素对Cs(I)在北山花岗岩介质迁移行为的影响，揭示了非平衡态条件下Cs(I)在花岗岩介质中的传质过程及机制。相关研究成果和主要认识，可为我国高放废物地质处置库的建设、设计，以及性能和安全评价提供重要的科技支持，为进一步认识RCs的环境地球化学过程提供理论基础。在该项目的资助下，发表学术研究论文28篇，参与撰写英文专著1部，培养从事地球化学研究的青年教师4名；培养博士后1名；培养博士研究生5名；培养硕士研究生2名。