花岗岩风化物中铀的动力学吸附及其模拟应用研究

Disposal of radioactive wastes has become one of the international focus due to its relation to the sustainability of nuclear industry and the safety of environment.This proposal aims at studying the Uranium transport in weathered granites for the importance, complexity of Uranium transport in granite, which is one of the preferable rocks for hosting of radioacitive wastes. Firstly, a combination of kinetic sorption experiments, sorption isotherm experiments and column experiments is proposed to study the sorption kinetics and transport mechaniums of Uranium in weathered granites, and to attest the effects of flow rates and grain-size to the mass transfer rate coefficients of Uranium.And then, a coupled hydrodynamic and surface complexation model is proposed to simulate the transport and sorption mechanisium of Uranium,and to analyze the characteristics of Uranium distribution between solid and aqueous phases in the weathered granites system.In the end,based on the project for Low- and Intermediate-Level radioactive Wastes (LILW)disposal in Southern China, a further study is expanded to the modeling approach and the effectiveness of integrating geochemical processes into filed-scale reactive transport models.This study provides the theory basis and technical support for the safety assessment of a site for radioactive wastes disposal and an effective reference for research on reactive transport of other radionuclides.

放射性废物的处置关系到核工业的可持续发展和环境安全，目前已成为国际社会关注的热点问题之一。在各类核素中，核素铀由于其典型性和复杂性而成为国际研究的前沿和热点；另一方面，花岗岩则以其低渗透性和分布的广泛性而成为放射性废物处置的重要介质之一。基于此，依托我国华南低中放废物处置场项目，采用动力学吸附实验、吸附等温线实验和土柱实验相结合的实验方法，开展铀在花岗岩风化物中的动力学吸附和解吸规律研究，以从地球化学反应层面揭示铀的运移过程，并研究流速、粒度等对铀的吸附和运移过程的影响；然后通过考虑耦合的水动力和多组分反应运移理论，采用数学建模的方法量化研究铀的运移过程和吸附机理，模拟分析铀在固液相间分布系数的变化规律及其影响机制，并研究将反应性运移理论和室内实验结果应用到野外场地模拟的方法。本课题研究可为放射性废物处置场地的安全性评价提供理论依据和技术支撑，同时可为其它核素的反应性运移研究提供有效借鉴。

放射性废物的处置关系到核工业的可持续发展和环境安全，目前已成为国际社会关注的热点问题之一。依托我国华南低中放废物处置场调查项目，采用动力学吸附实验、吸附等温线实验和土柱实验相结合的实验方法，开展了铀在花岗岩风化物中的动力学吸附和解吸规律及场地尺度模拟应用研究。结果表明，花岗岩风化物对铀具有较强的吸附作用，铀在花岗岩风化物中的吸附/解吸是个动力学过程，吸附区域可分为平衡吸附和动力学吸附两类，前者主要发生在风化形成的粘土矿物表面，后者则主要受花岗岩晶内吸附点控制；强风化花岗岩对铀的总体吸附能力大于全风化花岗岩，表明强风化花岗岩中残留的某些矿物比全风化花岗岩风化物的粘土矿物具有更强的吸附能力；另一方面，由于风化过程逐步打开了花岗岩的内部表面积，因此全风化花岗岩中产生平衡吸附的能力大于强风化花岗岩。花岗岩风化物对铀的阻滞能力主要由其产生平衡吸附的能力控制，因此全风化花岗岩对铀的阻滞能力大于强风化花岗岩。采用表面络合模型，可以正确模拟铀的多组分反应性运移过程。结合实验结果，模拟计算得铀的表面络合反应常数log K = 26.5，全风化、强风化花岗岩风化物的吸附点浓度分别为6×10-7 mol/g和8.5×10-7 mol/g，动态参数分别为：全风化花岗岩µ = -3.26、σ = 2.84，强风化花岗岩µ = -3.82、σ = 2.76。土柱实验实测和模拟计算结果均表明，铀的分配系数是不断变化的，这一结论在铯的吸附类比研究中得到了进一步的印证。最后，不同核素场地尺度、大周期的模拟应用技术研究结果表明，在设计处置单元分布情况下，场平条件极大地降低了核素运移导致的污染风险。对流作用控制了保守型核素的运移，而弱吸附性核素和强吸附性核素的运移则主要受控于吸附作用；相对灵敏度分析结果表明模型的灵敏度具有核素和参数的双重独立性，并且对某些参数的敏感度随时间的不同而发生变化。上述研究结果表明在进行核素运移模型校正和预测时应对不同核素和参数区别对待，从而达到正确模拟的目的。本课题研究可为放射性废物处置场地的安全性评价提供理论依据和技术支撑，同时可为其它核素的反应性运移研究提供有效借鉴。