核素在非饱和水泥基工程屏障材料中迁移过程的研究

随着我国民用核能的发展，合理安全储存其终端产物-放射性废物成为重要问题。对于放射性废物中的中低放废物，近地表的浅层处置是我国较为现实的处置方式，而浅层处置结构对（固化）核素的封闭主要通过各种工程屏障材料实现。在此应用背景下，课题针对近地表处置结构安全性的主要问题-核素迁移过程展开研究，期望通过研究掌握核素在处置结构水泥基工程屏障中迁移过程的基本规律。课题通过选择典型水泥基屏障材料，分别研究水泥基材料对核素的吸附规律、核素在非饱和水泥基材料中的扩散规律、水泥基材料微结构与迁移特性的关系，最终建立基于微结构参数的核素迁移数学模型。课题分别通过研究预备阶段、核素迁移研究阶段和理论模型分析、验证阶段来完成上述的研究内容。课题研究成果可望能够定量评价水泥基屏障材料的长期封闭性能，为处置结构的设计和安全评估提供定量方法。

课题从理论和试验方面研究了放射性核素在水泥基类非饱和工程屏障材料中迁移过程。研究主要分为水泥基工程屏障材料的孔隙结构与传输性能研究、水泥基工程屏障材料对核素的吸附性质和规律、水泥基屏障材料非饱和扩散研究以及非饱和屏障材料核素迁移数学模型研究。孔隙结构和传输性能研究方面，研究采用了硅酸盐水泥-矿渣-硅灰的三元胶凝材料体系制备了不同水胶比的水泥净浆、砂浆和混凝土材料；由于矿渣和硅灰的加入使水泥基材料的孔隙结构呈现多峰分布的特点，密封养护对材料孔隙结构有明显影响，显著增加了 100nm以上区间的孔隙分布和孔隙含量，降低了100nm 以下区间的孔隙分布和孔隙含量；水分等温吸附曲线是水分迁移的最基本性质，其基本参数与孔隙的特征尺寸无直接关系，与孔隙的连通程度直接相关。核素吸附研究方面，M45对137Cs和90Sr的单独吸附和复合吸附试验表明，核素单独吸附量稍高于复合吸附量，但是在试验的微小浓度条件下此影响并不明显；两种核素的吸附机理主要是与水泥基材料水化产物的表面离子交换，吸附速率较快，特征吸附时间小于1天；核素的非饱和扩散研究方面，研究采用了大亚湾核电站的放射性废液对不同含水率水平的M45试块浸泡的方法，同时测量液体的吸收质量和废液中放射性核素的浓度；试验结果表明不同含水率的M45试块的吸水速率和规律基本相同；完全干燥试块外部的溶液核素浓度下降最为明显，是表面吸附和扩散共同作用的结果。核素迁移的数学模型研究方面，课题首先建立了单独的核素非饱和迁移模型，并使用该模型、结合研究的试验结果完成了对混凝土高整体容器针对核素迁移的300年使用年限的论证；然后研究建立了核素非饱和迁移的多场-多离子模型，模型考虑了水泥基屏障材料的热传导、水分传输、多种离子迁移以及内部的电荷平衡与吸附关系，最终建立了多场耦合数学模型为处置结构的安全评价提供了有力的支撑。