饱和多孔介质中胶体与放射性核素共迁移的力学模型：基于胶体间相互作用力的机制解析

为解决放射性核素在地质处置库中因胶体存在而加速迁移的风险，研究人员通过构建有限差分模型，聚焦胶体间作用力（如范德华力与双电层力），揭示了胶体-核素共迁移中"熟化"（ripening）和"位点阻塞"（site-blocking）的动力学机制。模型耦合一维平流-弥散方程与伪胶体吸附动力学，验证了核素在自由溶质与胶体态分布的动态平衡，为评估高放废物处置库长期安全性提供了理论工具。

　　

放射性废物的安全处置是核能可持续发展的关键挑战。当前，各国普遍采用多重屏障地质处置策略，但地下水侵蚀可能使工程屏障材料（如膨润土）释放胶体，这些纳米级颗粒（1-1000 nm）通过吸附放射性核素形成伪胶体(pseudo-colloid)，显著加速核素迁移。尽管实验室研究已证实胶体的载体效应，但如何预测千年尺度下的核素迁移行为仍是难题。中国研究人员通过建立力学模型，首次将胶体间作用力与核素迁移行为定量关联，相关成果发表于《Applied Geochemistry》。

研究采用MATLAB R2022a偏微分方程(PDE)求解器，构建包含三个核心方程组的有限差分模型：1）描述自由核素平流-弥散的一维方程；2）伪胶体态核素迁移方程；3）动态吸附/解吸动力学方程。模型创新性地引入胶体-介质相互作用的通用动力学公式，通过参数K_ca（胶体-介质吸附速率）、K_cd（解吸速率）及力场系数A（范德华力）、β（双电层力）等，统一解释了熟化与位点阻塞现象。

模型敏感性分析显示：当胶体间作用力为吸引力（A>β）时，已吸附胶体成为新吸附位点，导致介质滞留能力增强（熟化）；反之，当排斥力主导（β>A）时，胶体覆盖介质异质位点会抑制后续吸附（位点阻塞）。参数α_r（熟化增强因子）和K_r（位点阻塞抑制系数）的敏感性验证了力场对核素分布比（K_d）的调控作用。

结论部分指出，该模型首次通过胶体间力场统一解释了两种看似矛盾的迁移机制：在低胶体浓度、弱吸引力条件下，熟化主导核素滞留；而高浓度胶体在强排斥力环境中更易引发位点阻塞。研究为评估膨润土工程屏障（如中国北山处置库采用的GMZ膨润土）在长期水文化学变化中的性能退化提供了量化工具，尤其适用于预测pH、离子强度变化导致的胶体释放风险。

这项工作的核心价值在于将传统DLVO理论(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)的定性描述转化为可计算的动力学参数，突破了现有三相模型（水相-载体相-固定相）的局限性。通过揭示力场参数与核素迁移速率的定量关系，为高放废物处置库的安全评估提供了跨尺度预测方法，从微观相互作用（如胶体-介质氢键）到宏观迁移风险（千米级扩散）建立了可验证的数学桥梁。