一种多重屏障体系内水化学环境演化研究的方法技术

本发明专利技术公开了一种多重屏障体系内水化学环境演化研究的方法，步骤为：S1、采集多重屏障体系所涉及的岩矿样品，确定样品的矿物组成等相关参数；S2、采集地下水，确定初始地下水的各项化学参数；S3、对矿物样品开展岩土材料物性参数测试研究，测定饱和渗透系数、孔隙率、阳离子交换容量等相关参数；S4、对包装容器开展腐蚀模拟实验，以确定容器在该屏障体系内的平均腐蚀速率；S5、开展长期数值模拟研究。本发明专利技术提供的方法不具有局限性，可适用于各种不同处置库结构，并在一系列物性参数测试研究和模拟实验的基础上，确定多重屏障体系内水‑岩相互作用和容器腐蚀过程中发生的多组分、多变量的化学反应。

【技术实现步骤摘要】
一种多重屏障体系内水化学环境演化研究的方法
本专利技术属于环境科学和地球化学
,涉及一种多层屏障体系内水化学环境演化研究的方法,该方法可应用于处置库选址和废物处置安全评价。
技术介绍
随着核电的快速的发展，我国将累积相当数量的高放废物，安全、有效地处理和处置这些高放废物对于核技术的广泛应用至关重要。我国高放废物处置的策略是将废物固化后进行深地质处置，利用包装容器、工程屏障和天然屏障等多重保护，使其与人类生存环境有效地隔离。由于高放废物的放射性总活度和比活度大，毒性高，其中多种核素的半衰期很长，因此处置库的设计安全年限一般在10万年甚至100万年。在此期间，处置库的多重屏障可能因降雨、风化、腐蚀及地壳活动等受损，使其中的放射性核素释放出来，其中水化学环境和地质介质对放射性核素的溶解和阻滞是长期控制放射性核素扩散迁移的关键因素，在长达万年的处置时间内，水与介质材料的相互作用又会进一步改变水化学环境，因此，为了准确地预测核素的迁移行为，评估处置库的长期安全性，多重屏障环境下的水化学演化规律是最为重要的一环，然而，在研究水化学环境演化的过程中，光靠实验手段是不够的，必须建立相应的模型，才能获得预测核素时间和空间尺度上的分布。目前我国针对高放废物处置库的研究，主要集中在花岗岩与地下水之间的相互作用上，对于处置库近场水化学环境随时间和空间变化的研究较少，并且存在以下几个问题：(1)水化学环境演化研究上，多采用反向模拟，即以质量守恒原理为基本理论，初始水溶液组分+反应物＝终点水溶液组分+产物，式中的“反应物”和“产物”是指反应过程中进入或离开溶液的物质，可以是气体、固体或离子交换，是一套模糊相。在给定的水文地质系统中，一般情况下，有多种“可能反应物-产物”组合满足上式，这时就需要根据研究区的岩性、地质、水文地质条件等因素，以及组分分布计算结果、热力学参数、同位素资料来确定该条件下最有可能的“反应物”和“产物”，因此仅仅通过起点和终点不能准确获得该条件下水化学的形成和演化规律，尤其对于特定路径下的水化学演化，反向模拟并不能满足要求；(2)目前，水化学环境演化场景多是天然花岗岩屏障与地下水之间的相互作用，没有涉及到近场环境下多重屏障结构所面临的复杂问题，例如容器腐蚀、多种屏障层间的化学反应等。综合上述，在水-岩相互作用反应机理的基础上，建立水化学环境演化模型，发展更准确、更系统的多重屏障体系下水化学环境演化研究的方法是评价处置库能否可靠阻滞放射性废物迁移的关键因素之一，决定了我国处置库选址、放射性废物安全评价及核技术的可持续发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有研究方法不能满足多重屏障体系内水化学环境演化的需求，现提供一种大尺度时间范围下多重屏障体系的正向模拟研究方法，并在一系列物性参数测试研究和模拟实验的基础上，确定多重屏障体系内水-岩相互作用和容器腐蚀过程中发生的多组分、多变量的化学反应。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种多重屏障体系内水化学演化研究方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集多重屏障体系所涉及的岩矿样品，并确定所述岩矿样品的矿物组成的相关参数；S2、采集地下水，确定初始地下水的各项化学参数；S3、对所述岩矿样品开展岩土材料物性参数测试研究，测定饱和渗透系数、孔隙率、阳离子交换容量相关参数；S4、对包装容器开展腐蚀模拟实验，确定所述包装容器在屏障内的平均腐蚀速率；S5、开展长期数值模拟研究。优选地，所述步骤S1中确定岩矿样品的矿物组成的相关参数的具体步骤为：S1.1、将所述采集的岩矿样品进行粉碎、研磨，制成粒径为200目的粉末；S1.2、通过X射线衍射对岩矿样品粉末进行鉴定，确定岩石类型、矿物成分、含量。优选地，所述步骤S2中确定初始地下水的各项化学参数的具体步骤为：S2.1、将采集后的地下水水样保存在惰性气体氛围中；S2.2、通过电位滴定法测得所述地下水水样中的碳酸根、碳酸氢根离子含量；S2.3、通过离子色谱法和原子发射光谱法获得所述地下水水样中阴、阳离子的含量，通过溶解氧仪、pH计和Eh计测得水样的溶解氧含量、pH值和Eh值。优选地，所述步骤S3中测定渗透系数、孔隙率、阳离子交换容量相关参数的具体步骤为：S3.1、通过柔性壁渗透仪，进行饱和渗透系数测试，计算得到饱和渗透系数；S3.2、测定矿物孔隙率；S3.3、测定矿物阳离子交换含量。优选地，所述步骤S4中模拟包装容器腐蚀实验的具体步骤为：将16MnR裸钢片填埋在一定厚度的填埋层中长达4年，期间不断用场地地下水浸湿所述填埋层，在不同时间段取样，采用失重法计算钢片平均腐蚀速率。优选地，所述步骤S5中开展长期数值模拟研究的具体步骤为：S5.1、利用地球化学模拟软件，将整个多重屏障体系划分为若干个微小单元，每一个微小单元代表一个完整的水-岩相互作用体系；S5.2、利用随机步行法对水流进行完全独立的模拟，确定水流场的方向、速度、流进流出的边界条件以及水中组分的扩散系数和弥散距离，得到计算好的水流场；S5.3、在所述计算好的水流场的基础上进行改进特征法模拟。S5.4、根据岩矿的渗流速率计算孔隙水流过屏障所需的时间，通过设定孔隙水冲刷次数来获得水化学环境在大尺度时间上的演化。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供的方法不具有局限性，可适用于各种不同处置库结构，不仅可获得大尺度时间范围内水化学环境演化，同时获得沿水流路径下的水化学环境演化规律及矿物组成变化规律。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术方法流程图；图2为本专利技术多重屏障体系示意图；图3为本专利技术地下水与屏障依次反应示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。方法流程如图1所示。S1、采集多重屏障体系所涉及的岩矿样品，并确定所述样品的矿物组成等相关参数，具体步骤为：(1)将所采集矿物进行粉碎、研磨，制成粒径为200目粉末；(2)通过X射线衍射鉴定，确定岩石类型、矿物成分及含量。其矿物组成见表1：表1S2、采集地下水，确定初始地下水的各项化学参数，具体步骤为：(1)将采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多重屏障体系内水化学演化研究方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、采集多重屏障体系所涉及的岩矿样品，并确定所述岩矿样品的矿物组成的相关参数；/nS2、采集地下水，确定初始地下水的各项化学参数；/nS3、对所述岩矿样品开展岩土材料物性参数测试研究，测定饱和渗透系数、孔隙率、阳离子交换容量相关参数；/nS4、对包装容器开展腐蚀模拟实验，确定所述包装容器在屏障内的平均腐蚀速率；/nS5、开展长期数值模拟研究。/n

【技术特征摘要】
1.一种多重屏障体系内水化学演化研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集多重屏障体系所涉及的岩矿样品，并确定所述岩矿样品的矿物组成的相关参数；
S2、采集地下水，确定初始地下水的各项化学参数；
S3、对所述岩矿样品开展岩土材料物性参数测试研究，测定饱和渗透系数、孔隙率、阳离子交换容量相关参数；
S4、对包装容器开展腐蚀模拟实验，确定所述包装容器在屏障内的平均腐蚀速率；
S5、开展长期数值模拟研究。


2.根据权利要求1所述的多重屏障体系内水化学演化研究方法，其特征在于，所述步骤S1中确定岩矿样品的矿物组成的相关参数的具体步骤为：
S1.1、将所述采集的岩矿样品进行粉碎、研磨，制成粒径为200目的粉末；
S1.2、通过X射线衍射对岩矿样品粉末进行鉴定，确定岩石类型、矿物成分、含量。


3.根据权利要求1所述的多重屏障体系内水化学演化研究方法，其特征在于，所述步骤S2中确定初始地下水的各项化学参数的具体步骤为：
S2.1、将采集后的地下水水样保存在惰性气体氛围中；
S2.2、通过电位滴定法测得所述地下水水样中的碳酸根、碳酸氢根离子含量；
S2.3、通过离子色谱法和原子发射光谱法获得所述地下水水样中阴、阳离子的含量，通过溶解氧仪、pH计和Eh计测得水样的溶解氧含量、pH值和Eh值。

【专利技术属性】
技术研发人员：柴娜娜，徐辉，司高华，葛一雷，梁威，王煜，陈洁，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六五三部队，
类型：发明
国别省市：新疆;65