关于用地下粘土处理高级别、长寿命的放射性废物的地球化学研究进展

1、关于用地下粘土处理高级别、长寿命的放射性废物的地球化学研究进展文摘:长期以来处理高级别、长寿命的放射性废物的一种方法是限于在地层深处。这种方法用在法国，尤其是在位于巴黎盆地东部的155 - Ma -侏罗纪粘土的形成的研究。十五年的研究和地下实验室的建设提供了大量的数据，从科学的角度给予地质处理可行性的评估。地球化学在这方面的研究具有重要的意义,因为他们提供地质介质的特点、废物的长期行为和工程系统的基本信息。2005年出版由 Elsevier B.v.关键词:放射性废物;粘土;地球化学,物理现象1、简介法国国会1991年12月30日通过了一项法令：设立研究所需的高层次、长寿命放射性废物的长期管理

2、，以备解决方案的主要领域。这三个研究途径,实行15年为一个周期,所列的行为包括一个深部地质处理可行性研究,负责指导Andra,即法国国家放射性废物管理机构。为了进行该计划，准备于2005年提交报告，包括研究工作报告和不同科学领域的可行性研究报告。物质的特性和行为,围岩性质和反应活性对现在和未来全球地质条件和环境的框架的干扰,并建模与仿真工具的主要议题是Andra计划的科学家关注的焦点。观测，数据采集,实验结果与数字模拟，已开发利用地表实验室设备和基地调查。他们从法国和国际科学界的强烈参与中受益。已经选定了一个地质现场建造地下实验室,在（法国）巴黎盆地的东部。实验室的围岩是130米厚,500米深

3、Callovo-Oxfordian(155毫安)粘土形成（硅质粘土岩）显示出一大规模的水平范围和低渗透率(5 d 10 13 到 5 d 10 14 m/s)。处理设施设计(图1)包括多重屏障系统,目的是阻止他们利用或限制他们转移到生物圈的影响到可以接受的水平。这些屏障是:-地质构造-引爆附近密封装置,-工程障碍,包括废物堆积,用过的燃料和他们的外包装、缓冲区和回填材料。这些不同的屏障,以及他们在一个潜在的处理的长期演化的行为已经被查处。主体形成的历史和超过1万年前的处理进化过程可能涉及的主要的相互作用和界面过程的地球化学方面特别受到人们的重视。2、主体形成的地球化学特征Callovo-Oxf

4、ordian 硅质粘土岩的特点低渗透性和孔隙度范围在15% 18%之间。孔径分布范围主要在10 100纳米。其有机质含量的分子分析表明,这种形成是在温度不高于35-40 的地质历史时期。Callovo-Oxfordian 硅质粘土岩的孔隙水的地球化学组成的放射性核素迁移的评价和参与处理的材料的耐久性（例如钢铁、混凝土和玻璃)是一个重要的输入数据。空隙水化学评价中遇到的主要困难源于硅质粘土岩的含水量低。为了解决这个问题,可以直接分析来自岩芯样品的参数(如含水量、地球化学孔隙度、阴离子浸出吸附、离子交换能力和吸附离子数、部分气体的压力和同位素分析。),以及其他地球化学模拟所获得一些数据。该数值模型

5、主要基于假设孔隙溶液与某些矿物的平衡。基于他们的结晶样品观察可能控制的阶段。结果表明，孔隙水的化学变化显示非常有限，垂直（Callovo-Oxfordian形成厚度:130米)或横向相距超过10公里且位于不同的钻孔。孔隙水一个主要的特点是中性PH值 (7.0)低,Eh值(150mv)和低碱度。孔隙水的地球化学特征,以及成岩矿物,对过去的地质历史的评价和溶质迁移机制的条件在地质系统操作性的评估有重要的意义。天然同位素示踪剂的研究允许获得一些详细信息元素的来源以及约束水文地质特征。更具体的说,O,H,Cl,Cl和B表明，上层和底层含水层的成分对比表现出Callovo-Oxfordian形成的扩散障

6、碍(图2)(Lavastre等问题,2005)。放射性示踪剂(Cl,He)表明,深层含水层中的水是数百上千年以前的。天然示踪剂(更具体的是Cl和Cl)和相关实验结果证实溶质扩散转移占Callovo-Oxfordian形成的主导地位。这些数据集使我们得出的结论是Callovo-Oxfordian是一种有效的屏障,并且通过扩散动力形成130米厚的溶质是非常慢的。此外, Callovo-Oxfordian形成的成岩矿物的同位素特征表明，他们仍然承担其原始的海洋标签，从而表明后期成岩作用非常有限，在此形成的流体岩石相互作用的程度仍然是相当大规模的。在地下实验室的现场正在进行致力于确认岩芯样品大规模获得

7、的地球化学资料（孔隙水化学成分，扩散性能）。3、放射性核素在沉积粘土地下处理形成的流动环境运输过程中最重要的是开发一种模型来评估运输绩效。然后，重点放在放射性核素的行为,包括水碱基在矿物表面的吸附力、离子扩散系数和可靠的孔隙度。水的形态与整个计划设计的第一个主题包括：(一)孔隙水成分。(二)放射性核素的形态和处理条件下的溶解度(图3),包括温度的升高，接近放热浪费的效果。假设局部平衡的热力学模拟的形态的主要任务是支持。Andra已经开发了一个内部热力学数据库,称为ThermoChimie,热力学函数(G, H, S,Cp)关键物种的形成和反应已经选定。为了模拟周围的放射性废物的固体材料的吸附反

8、应,用mechanistic方法研制开发了膨润土(粘土材料专用密封材料),同时考虑到了离子交换和表面络合的过程。模型是针对一些感兴趣的放射性核素。一个实证的方法已被选为水泥基材料(在某些废物库和移动),定义一个函数Kd值参数,取决于水泥基材料(灰泥和混凝土)的降解(pH值，Ca，和RN)。已经定义了一些机械模型，考虑到了硫酸固相和氧阴离子放射性核素固体之间的解决方案。Callovo-Oxfordian硅质粘土岩的吸附性可用微量放射性核素含量水平的线性等温线表示。该计划侧重于以下数据的采集：（一）Callovo-Oxfordian的岩性剖面；（二）放射性核素等温线的线性假设的确认；（三）温度升高

9、的影响。吸附的特点往往是吸收分散或粉碎的材料。一项特定的任务是通过高压的膨润土和泥岩样品的测定研究放射性核素的扩散性和吸附性。其目的主要是为了方便给孔隙度（分别给阴离子和阳离子）和多孔介质中的组织和孔隙水组成的吸附水平一致的定义。这项计划将延长示踪实验在使用地下实验室的时间。还专门为水泥基材化学降解功能的运输性质实行了一个类似的计划。在不受粘土材料的干扰的情况下，比较实验和建模的属性，以评估如氧化或超碱性的扰动的（Jacquot，Dimier,2005）化学干扰的影响。关于在生物圈中的迁移，敏感性分析，突出了许多元素在土壤-植物系统中的重要性。Andra已经提出一种实验方案，用来界定和量化控制

10、流动性德放射性核素在土壤和植物（根和叶）的转移机制。一些国际生物圈计划（BIOMASS,BIOCLIM,BIORPOTA）在选择传输参数值，这是符合目的的。最近的研究解释和量化的细菌和菌根硒和锝的形态和流动性的影响。生物学家正在努力用相关的参数来得到国际的共识。4、化学在处理系统中的作用处理系统（漂流物，处理单位，容器）的概念，包括了不同的材料（主要是水泥，膨润土，钢铁）在长期进化的一个潜在的处理设施，并与泥岩交互。这些相互作用都经过精心的研究，放射性废料（废弃燃料堆，沥青和玻璃）的不同类型的退化过程。更具体地说，已经对钢的腐蚀速率（在减少环境下少于几微秒每年）和长期容器的完整性和氢分子的产生

11、及其后果进行了详细的分析。此外，外生材料引起的主要化学扰动是在工程和地质粘土屏障生成的碱性羽毛。它与混凝土长期降解，有利于大量矿化的粘土与一些几十厘米的混凝土的接触，以及超过2-3米的孔隙水的pH值（Gaucher等，2004年）。铁（主要是钢罐和基础设施）和粘土之间的互动也被发现。这种相互作用不显著的改变了膨润土和粘土材料的密封性（Guillaume等，2003年）。这中地球化学过程需要几百几千年（相关材料的耐用性和放射性废料的毒性）的经验为蓝本，加上专门开发的化学运输模型（Jacquot，Dimier,2005），以便考虑到处理的演变（放射性废料包括温度的不同特点的相关参数，孔隙水的组成，

12、水德流动和扩散的不同的材料参数）。5、结论地球化学研究对评估一个潜在的放射性废料的处理的短期和长期的演变具有重大意义。它们包括重建地质系统的历史，以提供有关未来的演变，以及收集实际状况和运输性质特征的主要参数。地球化学研究对处理及处置长期废料包的演变也很重要。最后，他们通过不同的运输障碍估计放射性核素的释放率对生物圈的潜在影响。参考文献：AIEA,2003年。国际原子能机构，2003年7月的放射性固体废料处理的报告中的BIOMASS-Reference Biospheres，第一节，生物质生物圈模型和ASSessemnt（生物），原子能机构生物质谱-6.Gaucher, E.C., Blanc, P., Matray, J.-M., Michau, N., 2004年. 在粘土屏障的碱性建模扩散。 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中金属铁合成蒙脱石绿泥石的实验。粘土矿工。38, 281 302.Jacquot, E., Dimier, A., 2005年。多维建模claycement