關(guān)于用地下粘土處理高級別、長壽命的放射性廢物的地球化學(xué)研究進展

1、關(guān)于用地下粘土處理高級別、長壽命的放射性廢物的地球化學(xué)研究進展文摘:長期以來處理高級別、長壽命的放射性廢物的一種方法是限于在地層深處。這種方法用在法國，尤其是在位于巴黎盆地東部的155 - Ma -侏羅紀(jì)粘土的形成的研究。十五年的研究和地下實驗室的建設(shè)提供了大量的數(shù)據(jù)，從科學(xué)的角度給予地質(zhì)處理可行性的評估。地球化學(xué)在這方面的研究具有重要的意義,因為他們提供地質(zhì)介質(zhì)的特點、廢物的長期行為和工程系統(tǒng)的基本信息。2005年出版由 Elsevier B.v.關(guān)鍵詞:放射性廢物;粘土;地球化學(xué),物理現(xiàn)象1、簡介法國國會1991年12月30日通過了一項法令：設(shè)立研究所需的高層次、長壽命放射性廢物的長期管理

2、，以備解決方案的主要領(lǐng)域。這三個研究途徑,實行15年為一個周期,所列的行為包括一個深部地質(zhì)處理可行性研究,負責(zé)指導(dǎo)Andra,即法國國家放射性廢物管理機構(gòu)。為了進行該計劃，準(zhǔn)備于2005年提交報告，包括研究工作報告和不同科學(xué)領(lǐng)域的可行性研究報告。物質(zhì)的特性和行為,圍巖性質(zhì)和反應(yīng)活性對現(xiàn)在和未來全球地質(zhì)條件和環(huán)境的框架的干擾,并建模與仿真工具的主要議題是Andra計劃的科學(xué)家關(guān)注的焦點。觀測，數(shù)據(jù)采集,實驗結(jié)果與數(shù)字模擬，已開發(fā)利用地表實驗室設(shè)備和基地調(diào)查。他們從法國和國際科學(xué)界的強烈參與中受益。已經(jīng)選定了一個地質(zhì)現(xiàn)場建造地下實驗室,在（法國）巴黎盆地的東部。實驗室的圍巖是130米厚,500米深

3、Callovo-Oxfordian(155毫安)粘土形成（硅質(zhì)粘土巖）顯示出一大規(guī)模的水平范圍和低滲透率(5 d 10 13 到 5 d 10 14 m/s)。處理設(shè)施設(shè)計(圖1)包括多重屏障系統(tǒng),目的是阻止他們利用或限制他們轉(zhuǎn)移到生物圈的影響到可以接受的水平。這些屏障是:-地質(zhì)構(gòu)造-引爆附近密封裝置,-工程障礙,包括廢物堆積,用過的燃料和他們的外包裝、緩沖區(qū)和回填材料。這些不同的屏障,以及他們在一個潛在的處理的長期演化的行為已經(jīng)被查處。主體形成的歷史和超過1萬年前的處理進化過程可能涉及的主要的相互作用和界面過程的地球化學(xué)方面特別受到人們的重視。2、主體形成的地球化學(xué)特征Callovo-Oxf

4、ordian 硅質(zhì)粘土巖的特點低滲透性和孔隙度范圍在15% 18%之間?？讖椒植挤秶饕?0 100納米。其有機質(zhì)含量的分子分析表明,這種形成是在溫度不高于35-40 的地質(zhì)歷史時期。Callovo-Oxfordian 硅質(zhì)粘土巖的孔隙水的地球化學(xué)組成的放射性核素遷移的評價和參與處理的材料的耐久性（例如鋼鐵、混凝土和玻璃)是一個重要的輸入數(shù)據(jù)?？障端瘜W(xué)評價中遇到的主要困難源于硅質(zhì)粘土巖的含水量低。為了解決這個問題,可以直接分析來自巖芯樣品的參數(shù)(如含水量、地球化學(xué)孔隙度、陰離子浸出吸附、離子交換能力和吸附離子數(shù)、部分氣體的壓力和同位素分析。),以及其他地球化學(xué)模擬所獲得一些數(shù)據(jù)。該數(shù)值模型

5、主要基于假設(shè)孔隙溶液與某些礦物的平衡?；谒麄兊慕Y(jié)晶樣品觀察可能控制的階段。結(jié)果表明，孔隙水的化學(xué)變化顯示非常有限，垂直（Callovo-Oxfordian形成厚度:130米)或橫向相距超過10公里且位于不同的鉆孔?？紫端粋€主要的特點是中性PH值 (7.0)低,Eh值(150mv)和低堿度?？紫端牡厍蚧瘜W(xué)特征,以及成巖礦物,對過去的地質(zhì)歷史的評價和溶質(zhì)遷移機制的條件在地質(zhì)系統(tǒng)操作性的評估有重要的意義。天然同位素示蹤劑的研究允許獲得一些詳細信息元素的來源以及約束水文地質(zhì)特征。更具體的說,O,H,Cl,Cl和B表明，上層和底層含水層的成分對比表現(xiàn)出Callovo-Oxfordian形成的擴散障

6、礙(圖2)(Lavastre等問題,2005)。放射性示蹤劑(Cl,He)表明,深層含水層中的水是數(shù)百上千年以前的。天然示蹤劑(更具體的是Cl和Cl)和相關(guān)實驗結(jié)果證實溶質(zhì)擴散轉(zhuǎn)移占Callovo-Oxfordian形成的主導(dǎo)地位。這些數(shù)據(jù)集使我們得出的結(jié)論是Callovo-Oxfordian是一種有效的屏障,并且通過擴散動力形成130米厚的溶質(zhì)是非常慢的。此外, Callovo-Oxfordian形成的成巖礦物的同位素特征表明，他們?nèi)匀怀袚?dān)其原始的海洋標(biāo)簽，從而表明后期成巖作用非常有限，在此形成的流體巖石相互作用的程度仍然是相當(dāng)大規(guī)模的。在地下實驗室的現(xiàn)場正在進行致力于確認巖芯樣品大規(guī)模獲得

7、的地球化學(xué)資料（孔隙水化學(xué)成分，擴散性能）。3、放射性核素在沉積粘土地下處理形成的流動環(huán)境運輸過程中最重要的是開發(fā)一種模型來評估運輸績效。然后，重點放在放射性核素的行為,包括水堿基在礦物表面的吸附力、離子擴散系數(shù)和可靠的孔隙度。水的形態(tài)與整個計劃設(shè)計的第一個主題包括：(一)孔隙水成分。(二)放射性核素的形態(tài)和處理條件下的溶解度(圖3),包括溫度的升高，接近放熱浪費的效果。假設(shè)局部平衡的熱力學(xué)模擬的形態(tài)的主要任務(wù)是支持。Andra已經(jīng)開發(fā)了一個內(nèi)部熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,稱為ThermoChimie,熱力學(xué)函數(shù)(G, H, S,Cp)關(guān)鍵物種的形成和反應(yīng)已經(jīng)選定。為了模擬周圍的放射性廢物的固體材料的吸附反

8、應(yīng),用mechanistic方法研制開發(fā)了膨潤土(粘土材料專用密封材料),同時考慮到了離子交換和表面絡(luò)合的過程。模型是針對一些感興趣的放射性核素。一個實證的方法已被選為水泥基材料(在某些廢物庫和移動),定義一個函數(shù)Kd值參數(shù),取決于水泥基材料(灰泥和混凝土)的降解(pH值，Ca，和RN)。已經(jīng)定義了一些機械模型，考慮到了硫酸固相和氧陰離子放射性核素固體之間的解決方案。Callovo-Oxfordian硅質(zhì)粘土巖的吸附性可用微量放射性核素含量水平的線性等溫線表示。該計劃側(cè)重于以下數(shù)據(jù)的采集：（一）Callovo-Oxfordian的巖性剖面；（二）放射性核素等溫線的線性假設(shè)的確認；（三）溫度升高

9、的影響。吸附的特點往往是吸收分散或粉碎的材料。一項特定的任務(wù)是通過高壓的膨潤土和泥巖樣品的測定研究放射性核素的擴散性和吸附性。其目的主要是為了方便給孔隙度（分別給陰離子和陽離子）和多孔介質(zhì)中的組織和孔隙水組成的吸附水平一致的定義。這項計劃將延長示蹤實驗在使用地下實驗室的時間。還專門為水泥基材化學(xué)降解功能的運輸性質(zhì)實行了一個類似的計劃。在不受粘土材料的干擾的情況下，比較實驗和建模的屬性，以評估如氧化或超堿性的擾動的（Jacquot，Dimier,2005）化學(xué)干擾的影響。關(guān)于在生物圈中的遷移，敏感性分析，突出了許多元素在土壤-植物系統(tǒng)中的重要性。Andra已經(jīng)提出一種實驗方案，用來界定和量化控制

10、流動性德放射性核素在土壤和植物（根和葉）的轉(zhuǎn)移機制。一些國際生物圈計劃（BIOMASS,BIOCLIM,BIORPOTA）在選擇傳輸參數(shù)值，這是符合目的的。最近的研究解釋和量化的細菌和菌根硒和锝的形態(tài)和流動性的影響。生物學(xué)家正在努力用相關(guān)的參數(shù)來得到國際的共識。4、化學(xué)在處理系統(tǒng)中的作用處理系統(tǒng)（漂流物，處理單位，容器）的概念，包括了不同的材料（主要是水泥，膨潤土，鋼鐵）在長期進化的一個潛在的處理設(shè)施，并與泥巖交互。這些相互作用都經(jīng)過精心的研究，放射性廢料（廢棄燃料堆，瀝青和玻璃）的不同類型的退化過程。更具體地說，已經(jīng)對鋼的腐蝕速率（在減少環(huán)境下少于幾微秒每年）和長期容器的完整性和氫分子的產(chǎn)生

11、及其后果進行了詳細的分析。此外，外生材料引起的主要化學(xué)擾動是在工程和地質(zhì)粘土屏障生成的堿性羽毛。它與混凝土長期降解，有利于大量礦化的粘土與一些幾十厘米的混凝土的接觸，以及超過2-3米的孔隙水的pH值（Gaucher等，2004年）。鐵（主要是鋼罐和基礎(chǔ)設(shè)施）和粘土之間的互動也被發(fā)現(xiàn)。這種相互作用不顯著的改變了膨潤土和粘土材料的密封性（Guillaume等，2003年）。這中地球化學(xué)過程需要幾百幾千年（相關(guān)材料的耐用性和放射性廢料的毒性）的經(jīng)驗為藍本，加上專門開發(fā)的化學(xué)運輸模型（Jacquot，Dimier,2005），以便考慮到處理的演變（放射性廢料包括溫度的不同特點的相關(guān)參數(shù)，孔隙水的組成，

12、水德流動和擴散的不同的材料參數(shù)）。5、結(jié)論地球化學(xué)研究對評估一個潛在的放射性廢料的處理的短期和長期的演變具有重大意義。它們包括重建地質(zhì)系統(tǒng)的歷史，以提供有關(guān)未來的演變，以及收集實際狀況和運輸性質(zhì)特征的主要參數(shù)。地球化學(xué)研究對處理及處置長期廢料包的演變也很重要。最后，他們通過不同的運輸障礙估計放射性核素的釋放率對生物圈的潛在影響。參考文獻：AIEA,2003年。國際原子能機構(gòu)，2003年7月的放射性固體廢料處理的報告中的BIOMASS-Reference Biospheres，第一節(jié)，生物質(zhì)生物圈模型和ASSessemnt（生物），原子能機構(gòu)生物質(zhì)譜-6.Gaucher, E.C., Blanc, P., Matray, J.-M., Michau, N., 2004年. 在粘土屏障的堿性建模擴散。 Appl. Geochem. 19, 15051515.Guillaume, D., Neaman, A., Cathelineau, M., Mosser-Ruck, R., Abdelmoula, M., Dubessy, J., Villieras, F., Michau, N., 2003年。在300中金屬鐵合成蒙脫石綠泥石的實驗。粘土礦工。38, 281 302.Jacquot, E., Dimier, A., 2005年。多維建模claycement