地气作用下地质处置核废物中核素迁移模拟研究

发布时间：2020-06-05 04:06

【摘要】：地质处置核废物中核素迁移行为研究是关乎核废物安全处置的一个重要内容,能为废物处置库选址提供有效的参考依据,对于人类社会与生态环境保护具有十分重要的意义。目前针对核素在介质中迁移行为的研究大都以地下水为迁移动力,侧重考虑水溶液化学与元素地球化学行为,上升地气流对地质处置后的核素迁移作用则还无人研究,地气流对深部物质迁移作用是长期、稳定的,对于长久处置于深部地下的高放废物,其持续累积效应不可忽视。本文结合计算流体力学模拟软件—Fluent对地气作用下地质处置核废物中核素迁移行为规律进行研究,旨在从一个新的角度为处置库环境的安全性进行评价,为进一步开展气体为载体的核素迁移行为研究提供一定的参考价值。本文将模拟与实验相结合,针对核素迁移过程中较关注的核素释放、在介质中的迁移与吸附滞留问题进行了研究:(1)通过铅锌矿中U迁移实验,分析了影响U释放的关键因素,推导出了U在包裹体中的饱和释放率与释放比公式。(2)通过模拟土柱实验,对U_3O_8微粒在近场介质通道内的运动轨迹、速度分布与整个流场的传热效应和压力分布进行了分析。(3)通过模拟多组对比实验,对U在远场迁移中的多个影响因素进行了分析。(4)以气固吸附理论为基础,对U与地气流组成的类气流场在土壤与花岗岩介质中的吸附规律进行了研究。得出了如下创新性的研究成果:(1)U在包裹体中的饱和释放量与采样片中U浓度和模型总体积成正比,与采样片采集效率和采样时间成反比。(2)针对U的近场迁移行为研究建立了饱和吸附介质通道中的DPM模型。在不考虑壁面吸附的情况下,U_3O_8微粒在近场介质通道内运动受流场气流运动影响,从气流影响因素与微粒受力角度分析得出U_3O_8微粒在介质中滞留主要受介质颗粒粒径、介质物理结构以及模型尺寸等因素影响。(3)针对U的远场迁移行为研究建立了流体在多孔介质中流动模型。U在地质体中的迁移量主要受矿体深度、矿体品位以及上方介质围岩物理属性不同(颗粒粒径,密度,孔径)等因素影响,位于较深部矿体处由于地气流速更大,迁移动力更足;品位大的矿体中U_3O_8的释放量更多,因此在相同时间内有更多的U_3O_8富集在地表;围岩介质中颗粒粒径小的,密度小的其内部比表面积大,因此相同体积的介质能吸附更多地U_3O_8微粒。(4)U_3O_8微粒与地气流组成的类气流在土壤介质中的吸附属于BET多分子层吸附,在花岗岩介质中的吸附属于Langmuir单分子层吸附,对于相同温度下的吸附,压力越大吸附量越多(未达到饱和吸附之前),多分子层吸附中当c值很大且系统压力较低时,多分子层吸附会退化成单分子层吸附。(5)结合地气流中U的近场迁移与远场迁移模拟,可以为处置库回填材料、处置库围岩选定提供一定的参考意见。处置库应选择颗粒粒径较小,密度较小,孔隙尺寸稍大的材料作为回填材料,此类材料对地气流中的核素有较好的吸附作用;处置库应该尽量处置于颗粒粒径较大,结构致密的深部岩体中,此类岩体对地气流中的核素能起到很好的阻滞作用。
【图文】：

第 3 章 U 的近场迁移模拟核素的近场迁移指的是核素在地质处置库内的迁移，包括从包裹体中释放以及在回填材料等工程屏障中迁移，本文将实验室模型近似看作地质处置库，分别通过 U 在铅锌矿中迁移实验分析了 U 从包裹体中的释放规律并以土柱实验模型为模拟模型，分析了 U 在介质通道内的迁移特性。3.1 铅锌矿中 U 的迁移实验本实验选取湖南某矿区两组铅锌矿石与对应上方围岩，进行了 4 组对比上升气流实验，实验对象依次为 X 矿，X 矿加围岩，Y 矿，Y 矿加围岩。实验中矿石质量均为 1300g，围岩质量均为 700g。将矿体与围岩打碎放置于管径 16cm 的PVC 管底，并对其进行加热，温度为 60℃（根据地温增温率，，设定约地下 1000m处的温度），管高 50cm，在顶部用采样片进行采集。模型如图 3-1，图 3-2 所示，围岩矿体与围岩中 U 初始含量如下表 3-1 所示：

第 3 章 U 的近场迁移模拟核素的近场迁移指的是核素在地质处置库内的迁移，包括从包裹体中释放以及在回填材料等工程屏障中迁移，本文将实验室模型近似看作地质处置库，分别通过 U 在铅锌矿中迁移实验分析了 U 从包裹体中的释放规律并以土柱实验模型为模拟模型，分析了 U 在介质通道内的迁移特性。3.1 铅锌矿中 U 的迁移实验本实验选取湖南某矿区两组铅锌矿石与对应上方围岩，进行了 4 组对比上升气流实验，实验对象依次为 X 矿，X 矿加围岩，Y 矿，Y 矿加围岩。实验中矿石质量均为 1300g，围岩质量均为 700g。将矿体与围岩打碎放置于管径 16cm 的PVC 管底，并对其进行加热，温度为 60℃（根据地温增温率，设定约地下 1000m处的温度），管高 50cm，在顶部用采样片进行采集。模型如图 3-1，图 3-2 所示，围岩矿体与围岩中 U 初始含量如下表 3-1 所示：
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL942

【参考文献】

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本文编号：2697482