地下水体系核素化学形态模拟系统软件开发

为评估处置库的安全性,核素化学形态信息是准确预测核素的运移行为研究的前提。鉴于我国核能工业的迅速发展以及建立环境中核素的确认需求,在我国开展处置库周围核素的化学形态研究具有十分重要的意义。针对地下水中元素种态分布的研究需求,以JAVA为开发工具、MySQL作为数据库、Tomcat为容器,开发了一套B/S架构的元素种态分布模拟软件。针对模拟计算中遇到的化学反应平衡非线性方程组求解收敛困难的问题,引入了根据化学反应势能求解的方法和反应因子控制迭代步长,实现了对化学反应非线性方程快速地求解,并可拓展多相平衡计算。以塔木素地下水中镎为考察对象,利用所开发化学形态模拟软件(simulation software on chemical species,SSCS)计算环境中镎的形态和量,并对比PHREEQC的计算结果,相对偏差在10%以内,针对环境中痕量元素的分布,提供了理论计算的解决方案。

甘肃北山新场深部地下水中铀的赋存形态及其影响因素的地球化学模拟研究

核能的快速发展产生了大量的高水平放射性废物(简称高放废物),对生态环境和人类健康构成了巨大的威胁,其安全处置已成为国际放射性废物管理的重难点问题。深部地质处置被普遍认为是高放废物最安全可靠、技术上非常可行的处置方法。目前,我国已启动了甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室的建设,放射性元素铀在深部地下水中的形态分布及其影响因素从微观层面能为北山深地质处置性能评价提供基础数据,但尚不明晰,亟需开展相关地球化学模拟研究。基于PHREEQC中的llnl.dat数据库,添加NEA-TDB和ThermoChimie数据库中U(Ⅵ)的热力学数据,使用地球化学模拟软件PHREEQC.v3和PhreePlot.v11对铀在我国甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室场址BS28孔深部地下水中的赋存形态及分布进行了模拟计算,旨在厘清铀在北山深部地下水中的赋存形态,探讨pH、pE以及Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)浓度比对铀在北山深部地下水中形态分布的影响。模拟结果表明,在该深部地下水环境下,铀主要以六价的形式存在,Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)和CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)是主要的赋存形态,其占比分别为84.14%和15.16%。受氧化还原氛围的影响,铀的价态在pE<1时逐渐由U(Ⅵ)转变为U(Ⅳ),且在pE=-1~1时,UO_(2)(s)和可溶性碳酸铀酰络合物可同时存在。Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)的浓度比低倾向于形成CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-),浓度比高易于形成Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)。Ca^(2+)-UO_(2)^(2+)-CO_(3)^(2)三元体系很大程度上会影响铀在北山深部地下水的溶解度和迁移能力。本研究结果将有助于查明铀在北山花岗岩裂隙中的迁移和吸附机理。

乏燃料后处理设施近实时衡算系统设计与初步评价

为对乏燃料后处理设施的核材料近实时衡算系统进行设计并开展初步评价,本研究基于传统的例行周期衡算,采用缩短衡算周期的方法,结合核材料存量数据,初步建立了核材料近实时衡算分析模型。采用国际原子能机构STR-193文件的参考200 MTHM/a设施及其运行数据,利用逐批误差计算与合成的模式,进行了不同周期的近实时衡算分析,并与例行闭合衡算的半年度分析数据进行了对比。基于上述衡算模型,采用时间关联的动态数据模拟,初步开展了动态分析和佩琦测试评价。结果表明,近实时衡算的方法可行,在该衡算模型下,以月度为衡算周期即可满足要求。累计和评价和佩琦测试对于核材料的大量突然流失均有效;佩琦测试在探测核材料累积流失方面,尤其是对于衡算周期较长的、接近探测限度的工况,其异常识别能力优于累计和评价,且误报警率能够得到控制。近实时衡算系统具有更加有效的异常探测能力,未来可用于核材料管理的动态趋势分析,提高核材料衡算管理的应用价值。

北山地下水中三元铀酰配合物的化学种态分析

获知地下水环境中放射性核素的化学种态,对于理解其吸附、迁移和扩散行为至关重要。利用水文地球化学模拟软件PHREEQC,计算了BS03(pH=9.43)和BS05(pH=7.51)两种北山深部地下水中铀(铀酰)的种态分布,重点分析了pH、温度和初始铀浓度等因素的影响。研究结果表明,铀在弱酸性条件下,主要以UO_(2)CO_(3)(aq)和(UO_(2))_(2)CO_(3)(OH)_(3)^(-)存在;在中性至弱碱性条件下,主要以CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)和Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)存在,且碳酸铀酰钙的含量远高于碳酸铀酰镁。随着温度的升高,Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))3(aq)、CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)和UO_(2)(CO_(3))_(3)^(4-)逐渐分解。当初始铀浓度为4×10^(-4)~1×10^(-1)mmol/L时(t=25℃),北山深部地下水中铀的优势种态为Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)(摩尔分数x>62%)和CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)(x≈35%)三元配合物。研究结果对于分析关键放射性元素铀在高水平放射性废物处置库中的释放和迁移机制具有重要作用。

放射性废树脂中^(90)Sr与^(137)Cs和^(134)Cs的比例相关性

难测核素^(90)Sr易沉积在人体骨骼中,并对人体产生长期高能量β射线内照射损伤。高能β射线来自于^(90)Sr本身及其子体^(90)Y。核电厂废离子交换树脂放射性剂量和产量均较大,更需重点监测。评估易测核素^(137)Cs和^(134)Cs对^(90)Sr比例因子相关度,以确定优选方案。通过对5个来源于不同机组的放射性废树脂样品分别进行灰化、碱熔,再酸浸的方式对废树脂吸附的放射性离子进行提取,对每个样品的^(90)Sr/^(137)Cs与^(90)Sr/^(134)Cs活度浓度比例进行分析并计算方差以衡量稳定性。结果表明:^(137)Cs对^(90)Sr有更好的相关度,可作为比例因子研究对象。

福岛以东放射性核素进入中国海关键途径的三维数值模拟研究

准确刻画放射性核素在海洋中的扩散及输运过程是监测及预防的关键。利用北太平洋区域高分辨率海洋动力模式,结合被动示踪实验,模拟了福岛排放入海的放射性核素在5 a左右时间的分布情况。结果表明,放射性核素在排海后主要随黑潮延伸体向东移动,但仍有部分放射性核素由于西南向回流、涡旋活动及模态水潜沉过程,向西南方向抵达中国海外缘。在中国近海与外海的物质交换通道中,放射性核素主要通过中国台湾以东最早进入中国东海,后经过吕宋海峡入侵南海,进而通过陆架环流输送到黄海与渤海中。研究结果系统地给出了放射性核素由北太平洋进入中国海的三维途径及动力机制,并表明高浓度的放射性核素在5 a时间内并未影响中国海域。

地下水成分对钚化学种态分布的影响

钚是核能发展和放射性废物处理处置中的一种重要元素,其在天然水体中的种态分布对于研究其迁移行为至关重要。随着研究的深入,一些新的钚种态不断被发现和确认,原先诸多类似研究工作已经不能准确反映钚在溶液介质中的真实种态占比。结合最新热力学数据,本文通过地球化学计算软件PHREEQC系统研究了钚的种态分布随pH值和共存离子种类及浓度改变的变化规律,并得到了钚在不同水体中的物种形态占比。研究结果表明:在氧化性的地下水中,当水硬度比较低时,六价钚在酸性条件下主要以PuO_(2)^(2+)或PuO_(2)CO_(3)的形态存在,在中碱性条件下主要以PuO_(2)(CO_(3))_(2)^(2−)或PuO_(2)(CO_(3))_(3)^(4−)形态存在;然而,当水硬度比较高,尤其是钙离子浓度比较高时,六价钚虽然在酸性条件下仍主要以PuO_(2)^(2+)或PuO_(2)CO_(3)存在,在中碱性条件下却以CaPuO_(2)(CO_(3))_(3)^(2−)的形式占据主导地位。可见,水的硬度尤其是钙离子浓度是影响钚形态的重要因素之一,因而在钚的地质处置时应予以重点考虑。

共价有机框架材料及其在放射性核素铀分离中的应用进展

随着福岛核电站核废水的排放,放射性核素铀造成的水污染将成为一个全球性问题。在现有的各种分离去除铀的材料中,共价有机框架(COF)是一类新兴的多孔材料。由于具有比表面积大、稳定性高、吸附能力强、结构组成可预测、功能可控等优点,共价有机框架(COF)已成为水处理领域较为先进的分离材料之一,在分离放射性核素铀方面显示出巨大的潜力。本文综述了COF材料的合成、合成后功能化及其在分离水中放射性核素铀的应用等方面的最新进展。最后,总结和展望了COF材料面临的机遇和挑战,为设计制备用于去除放射性核素铀的COF材料提供了一些具有指导意义的信息。

水流速度对锶迁移影响的实验研究

分别采用不饱水和饱水黄土土柱对稳定元素锶的迁移进行了示踪实验,结果发现,锶在两类未扰动土柱中的延迟系数可以很好地衔接。对锶的延迟系数进行研究的结果表明:无论在不饱水土柱还是饱水土柱,锶在黄土中的延迟系数Rd不是常数,而随水流速度的增加而增大;无论按峰位还是按质心位置计算,单位喷淋强度下锶的迁移速度随水的喷淋强度的增加而减小。这表明,为了描述锶在黄土中的迁移,使用平衡吸附模式是不合适的。

放射性铯在沸石中的吸附与迁移的研究

研究了^(134)Cs在沸石中的吸附与迁移行为.用间歇法测定了^(134)Cs(作为^(137)Cs的示踪剂)在斜发沸石和丝光沸石等4组地质样品上的吸附比(R_d);研究了接触时间、沸石颗粒度、固液比、pH值和核素浓度对吸附比的影响,测定了吸附等温线和铯的吸附容量.用柱实验法研究了^(134)Cs在沸石柱中的吸附与迁移行为,测定了^(134)Cs在柱中的迁移分布.结果表明,沸石对Cs的吸附能力很强,对Cs而言,沸石是核废物处置的很好的回填材料.

野外试验场黄土的理化分析

本实验为低、中水平放射性废物浅地层处置安全评价提供现场土壤的物理化学参数。采样深度在 0 .5～ 9.1m范围内 ,每个样品进行 10项测定 :矿物组成、粒度分布、密度、总孔隙度、有效孔隙度、给水度、持水度、渗透系数、阳离子交换容量、含水量。采样区植物根系发育良好 ,在 0 .55～ 2 m处发现洞穴。土壤颗粒的矿物组成以长石 (～ 4 0 % )和石英石 (～ 2 7% )为主。化学组成的主要成分为 Si O2 (～ 6 0 % )、Al2 O3(～ 11% )和 Fe2 O3 (～ 3.2 % )。土壤颗粒组分以 0 .2～ 0 .0 2 mm为主 (约 50～ 70 % )。该土为砂质粘壤土 ,p H=8左右 ,土壤的干容重为 1.2 7～ 1.4 8t/m3 ,总孔隙度为 50 %左右 ,渗透系数在 (0 .92～ 4 .3)× 10 -4 cm/s之间 ,阳离子交换容量为 12 .17～ 2 8.2 6 meq/10 0

粘土岩对铀(Ⅵ)的吸附特征研究

以内蒙古阿拉善粘土岩为研究对象,通过静态吸附实验,探讨接触时间、U(Ⅵ)初始浓度、固液比、pH值、离子类型以及离子浓度等因素对U(Ⅵ)吸附特征的影响.研究结果表明:粘土岩对U(Ⅵ)的吸附速率较快,24h即可达到吸附平衡,最佳吸附固液比为1∶200,最佳吸附初始浓度为160μg·mL-1;随着pH值的增大,粘土岩对U(Ⅵ)的吸附能力不断增强,pH为8时,吸附能力达到最大;溶液中Ca^(2+)、CO_3^(2-)和HCO_3^-对U(Ⅵ)吸附有很强的抑制作用,不利于U(Ⅵ)的吸附,K^+、Na^+、Cl^-、NO_3^-、SO_4^(2-)对U(Ⅵ)的吸附影响较弱,U(Ⅵ)在粘土岩表面吸附主要以内层络合作用为主.因此,开展粘土岩对U(Ⅵ)的吸附研究,对我国高放废物的处置工作开展起到了极其关键的作用.

镎、钚、锶在黄土地下水中地球化学行为的模拟研究

结合中国的浅地层处置方针和现场实际情况 ,采用地球化学模式程序EQ3 /6模拟研究了核素镎、钚、锶在浅地层埋藏条件下黄土地下水中的地球化学行为 ,其中包括核素在黄土地下水中的存在形式及地下水 黄土相互作用条件下核素存在形式的变化规律和次生矿物的生成种类和顺序等。研究结果表明 :1 )在现场地下水中核素的存在形式为 :镎以NpO2 +为主 ,次为NpO2 CO3- 、NpO2 OH(aq) ,分别占73 .88%、1 9.72 %和 5 .86%。钚以Pu(OH) 5- 占绝对优势 (99.68% ) ;锶的存在形式以Sr2 +为主 ,占94.84%。 2 )水 岩作用模拟研究结果表明 :在地下水中加入研究浓度的核素镎、钚后 ,瞬间将生成NpO2和PuO2 沉淀 ,同时还将生成一系列其它矿物的沉淀 ,主要有赤铁矿、绿泥石及磷灰石等。地下水 黄土相互作用过程中溶液中镎的浓度和存在形式变化表现为突变 ,在反应的初始阶段以NpO2 +为主 ,占95 .3 7% ,反应进行约半小时左右时 ,镎的存在形式突然发生了质的变化 ,瞬间转变为以Np(OH) 5- 为主 ,且含量占 99.1 6% ,但体系的pH值并没有发生突然的改变。地下水 黄土相互作用过程中钚的存在形式的变化基本上遵循渐变的规律。由反应初期以PuO2 +为主 ,次为Pu(OH) 5- ,逐渐过渡到Pu(OH) 5- 、Pu3+和PuSO4 +共存 ,到反应后期则以Pu(OH)

镎在北山五一井水中的溶解度计算分析

环境放射化学种态分析软件利用实验测定的感兴趣元素的热力学数据,根据所研究体系的组分及相应的分析浓度,从数据库中搜索由这些组分经化学反应可能生成的物种及相应的平衡常数,计算各种元素可能存在的化学种态和平衡浓度,从而得到相应元素在所研究体系中的化学种态分布。本工作利用北京大学编写的环境放射化学种态分析软件CHEMSPEC计算了在氧化性条件下,镎（Ⅵ）在北山五一井水中的溶解度,并分析了pH值、阴离子浓度等因素对溶解度的影响。计算结果表明,地下水的酸度、碳酸根离子浓度对溶解度有显著影响,而硫酸根离子浓度、氯离子浓度的影响可忽略。镎（Ⅵ）在北山五一井水中的溶解度变化范围是1.1×10-5~4.4×10-3mol/L。最大值4.4×10-3mol/L可考虑用于预测镎在北山地下水中的扩散和迁移行为。

黄土包气带土壤水特征曲线研究

本文主要介绍在中国辐射防护研究院 (CIRP)野外试验场从地表到潜水位 2 8m深范围内 4 6个土芯样的水特征曲线的测量方法及测量结果。结果表明 ,场址包气带导水特征随深度变化明显 ,可将其分为 5个层带 ,并由测量结果推导出各层带土壤的非饱和渗透系数、比水容量及当量孔径分布等非饱和水动力学参数。测量得到的土壤水特征曲线与现场包气带剖面含水量和基质势动态观测结果符合较好。利用本文研究得出的参数 ,计算得到的试验场址包气带孔隙水流速与现场 3 H示踪试验得到的结果也符合较好。

稳定元素Sr在土柱中的迁移

文章涉及稳定元素Sr在现场进行的水平土柱示踪实验和在实验室进行的垂直土柱模拟实验的实验方法和实验结果。实验结果表明:黄土对Sr有较强的吸附能力;实验室垂直土柱模拟实验的轴心纵向延迟系数略小于外侧纵向的数值;含水层水平土柱中Sr的延迟系数略小于实验室垂直土柱模拟实验的结果,这可能是由于土柱中的水流速度和土壤的密度不同而造成的。

^(237)Np在膨润土中表观扩散系数的测定

在大气和低氧条件下使用静态背对背扩散法测定了237Np在红泉膨润土中表观扩散系数Da值。实验结果如下:大气条件下237Np在混合型、Ca 型、Mg 型膨润土中的Da值分别为3 9×10-13,5 6×10-13,8 4×10-13m2/s;低氧条件下相应的Da值分别为3 4×10-13,4 7×10-13,3 1×10-13m2/s。在大气条件下以混合型膨润土为例,使用扩散池方法测得237Np的表观扩散系数Da值为8 2×10-12m2/s。

核素在非饱和黄土介质中迁移的环境模拟试验结果的拟合与分析

本文简要介绍了核素６０Ｃｏ、８５Ｓｒ和１３７Ｃｓ在非饱和黄土介质中迁移的环境模拟试验结果。文中简述了试验的模拟装置和方法；给出了主要的试验结果，包括２号土柱与４号土柱黄土中８５Ｓｒ比活度垂直分布的直接测量结果和４号柱黄土中６０Ｃｏ和１３７Ｃｓ比活度垂直分布的取样测量结果。对模拟试验测量数据进行了拟合与分析，得到了８５Ｓｒ比活度垂直分布的质心坐标ｚ０（ｔ）随试验时间ｔ的变化关系；给出了２号和４号土柱中８５Ｓｒ比活度垂直分布方差σ２（ｔ）（ｃｍ２）随ｔ（ｄ）变化的拟合公式，其分别为幂函数σ２（ｔ）＝０．２１８ｔ０．７１６和σ２（ｔ）＝０．０３３４ｔ０．９６２；根据ｔ＝３６５ｄ时４号土柱的取样测量结果，用二次矩方法计算了６０Ｃｏ和１３７Ｃｓ的比活度分布方差，其值均为σ２（ｔ＝３６５ｄ）＝０．２０ｃｍ２；还估算了土柱中的水流速度ｕ、８５Ｓｒ的平均迁移速度ｖ和延迟系数Ｒｄ。

Cs^+和Yb^(3+)在方解石、高岭石、蒙脱石、绿泥石和海绿石上的吸附实验研究

用静态平衡批试法和放射性示踪技术研究了Cs+ 和Yb3 + 共存条件下 ,在方解石、高岭石、蒙脱石、绿泥石和海绿石等 5种矿物上的吸附行为。结果表明 ,在相同实验条件下 (液相初始酸度、液固相比和金属离子初始浓度 ) ,按单位质量矿物的吸附量计 ,蒙脱石对Cs+ 和Yb3 + 的吸附能力明显强于其它矿物 ,而其它矿物对Cs+的吸附能力的差异相对不大。Cs+ 和Yb3 + 的吸附率 ,均随金属离子初始浓度的增大呈现减小趋势 ,但Yb3 + 的变化趋势更大。所有吸附等温线均符合Freundlich等温式方程。在实验所用溶液酸度条件下 ,Cs+ ,Yb3 + 在高岭石、蒙脱石和绿泥石中的吸附作用有可能以离子交换反应为主。

Np,Pu在地下水和工程屏障平衡水中的形态计算研究

采用EQ3/ 6地球化学模式和计算方法研究了放射性废物处置中Np和Pu在地下水和工程屏障平衡水中的化学形态 ,计算分析了温度、浓度、pH值、Eh值、CO2 等对上述 2个元素形态的影响。结果表明 ,地下水中Np的形态主要有 4种 :NpO2 +,NpO2 CO3- ,NpO2 OH和Np(OH) 5- ,当CO32 - 质量浓度高时 ,Np主要以NpO2 (CO3) 2 3- 存在。pH值对Np形态的影响主要表现在上述 4种形态分布的相对比例及OH- 与CO32 - 的竞争配合作用。Eh值低于 0 2V时 ,Np主要为四价 ;0 2～ 0 7V时 ,五价为主 ;大于 0 7V时 ,出现六价。Pu的形态主要为Pu(OH) 5- 。CO32 - 的质量浓度对四价钚的形态分布不产生影响 ,但CO32 - 却与Pu(Ⅵ )有很强的配合能力。Eh值低于- 0 5V时 ,Pu主要为三价 ;- 0 4～ 0 6V时 ,五价为主 ;大于 0 7V时 。