对237Np、238Pu和90Sr在未饱和粉壤土沉积物中的迁移行为的研究

《Journal of Environmental Radioactivity》：Investigation of the migration behavior of 237Np, 238Pu, and 90Sr in unsaturated silty loam sediment

　　

陈超|徐成龙|梁鹏良|朱军

中国辐射防护研究院，国家环境保护辐射环境与健康重点实验室，太原，030006，中国

摘要

本研究进行了为期1073天（约3年）的实验室迁移实验，研究了²³⁷Np、²³⁸Pu和⁹⁰Sr的迁移行为。实验使用了大规模的未受干扰的粉壤土柱，在相同条件下比较它们的迁移特性。结果表明：1073天后，²³⁷Np和⁹⁰Sr分别向下迁移了3.25厘米和9.75厘米，其浓度峰值分别为1688 Bq·g^?1和398 Bq·g^?1，且浓度分布呈对称状。这两种核素的迁移距离差异主要源于它们在土壤中的化学形态、吸附特性及相互作用机制的不同。相比之下，²³⁸Pu的浓度分布呈现双峰特征：高浓度峰（423 Bq·g^?1）由于初始吸附作用而停留在表层（0.25厘米处），另一个低浓度峰（408 Bq·g^{?1238Pu在浸出条件下部分解吸，导致其向下迁移速度加快，并在更深处重新被吸附。利用HYDRUS-1D软件进行的数值模拟（考虑了胶体效应）表明，平衡和非平衡吸附模型均能较好地描述237Np和90Sr的迁移过程。对于238Pu，非平衡吸附模型中的一级吸附-解吸速率常数（β）有效解释了其浓度分布的尾部特征；而要完全再现双峰分布，则需要采用更复杂的双区域或多孔性模型。}

引言

放射性核素迁移研究是安全处置放射性废物可行性研究的关键组成部分，主要关注核素在地质介质中的吸附及其受水动力过程驱动的迁移行为。在这一领域，低中水平放射性废物（LILW）在近地表环境介质中的迁移是一个重要研究课题。涉及的核素包括锕系元素、裂变产物以及少量中子活化产物（Roushdy等人，2025年；Samper等人，2024年）。当废物容器外壳失效时，放射性核素可能渗出并通过地下水扩散，与周围岩石和土壤发生相互作用。这种相互作用会引发一系列复杂的地球物理和地球化学反应，如吸附-解吸、矿化、离子交换和氧化还原过程，这些过程可能加速或减缓核素向生物圈的迁移，从而对人类活动和健康构成潜在风险。因此，为了准确评估和预测储库失效后放射性核素在环境介质中的迁移行为，有必要开发更复杂的概念模型和质量传递公式。基于以往的研究，需要应用HYDRUS软件套件等复杂建模方法，全面研究核素的吸附、迁移和转化过程（Simunek和Bradford，2017年；Simunek等人，2013年）。放射性核素迁移研究的先驱工作始于1958年，C.W. Christensen及其同事在洛斯阿拉莫斯进行了土壤介质中核素吸附的实验室研究。1962年在法国萨克莱举行的“放射性离子迁移与吸附”国际会议专门讨论了环境土壤中的核素迁移行为。此后，全球研究人员在这一领域开展了大量实验研究，取得了显著进展。

超铀核素如²³⁷Np和²³⁸Pu以及裂变产物⁹⁰Sr因其半衰期长、放射毒性高和复杂的化学行为而一直受到科学关注（Lujaniene等人，2002年；Srncik等人，2008年；Zhou等人，2019年）。实验室动态柱实验是研究核素迁移参数的主要方法，尤其是用于评估多孔介质中的反应性迁移。这些非理想迁移行为可通过包含动力学吸附项的非平衡吸附模型有效描述（例如，双位点吸附模型或多孔性模型）（Li等人，2021年）。钚在受污染沉积物中的向下迁移受到侵蚀风化过程导致的沉积物孔隙度和性质变化的影响（Begg等人，2017年；Kudo等人，1996年；Lloyd和Haire，1978年）。汉福德现场的调查显示，钚主要以PuO₂颗粒、Pu-Bi混合氧化物和金属Pu氧化物颗粒的形式存在于浅层沉积物中（Emerson等人，2021年）。来自酸性废液的钚具有更强的迁移能力，这归因于在低pH条件下形成了胶体Pu(OH)₄纳米颗粒悬浮液或天然胶体-Pu(IV)复合物。这些胶体通过静电稳定作用保持持久性，从而显著增强其迁移性（Novikov等人，2006年）。相反，在中性条件下，钚会与阳离子（如Ca²⁺、Fe³⁺）共沉淀形成次生矿物（如metatorbernite型CaPuO₄·nH₂O相），或吸附在粘土矿物表面（Powell等人，2011年）。²³⁸Pu在地下水系统中的迁移不仅受对流-扩散力的影响，还受到沉积物孔隙结构和水文地球化学相互作用（包括吸附-解吸平衡、溶解-沉淀循环、氧化还原转化和质子化-去质子化反应）的制约（Kaplan等人，2006年；Rai等人，1980年）。

鉴于这些复杂的迁移控制因素，尤其是上述对孔隙结构和地球化学过程的依赖性，本研究通过未受干扰的黄土柱实验直接填补了相关知识空白（Tanaka T等人，2002年）。这些实验保留了自然土壤结构和分层特性，能够在具有水文代表性的条件下动态研究²³⁷Np、²³⁸Pu和⁹⁰Sr在非饱和带中的迁移行为。通过将垂直浓度剖面与HYDRUS-1D模拟相结合，系统地对比了平衡和非平衡吸附模型与实验数据。这种综合方法不仅阐明了核素吸附的动力学差异，还为放射性废物处置系统的安全性评估提供了验证的理论框架。

章节摘录

材料

本研究使用的沉积物来自非饱和带（ Vadose zone）的粉壤土。未受干扰的沉积物柱样本采集自中国山西省的一个半干旱地区。使用大直径的未受干扰沉积物采样器，将沉积物柱从地面垂直打入120厘米深处。所得未受干扰的沉积物柱尺寸为φ28厘米×120厘米（直径×高度），其体积密度为1.35克/立方厘米。

非饱和流模型的建立与验证

在开始放射性核素迁移实验之前，通过使用氚（³H）作为保守示踪剂，确认了非饱和流场的稳定性。在受控边界条件下进行长时间灌溉后，利用伽马射线透射光谱法无损测量了PMMA沉积物柱中的体积含水量（θ）剖面。测量结果显示，θ随深度增加而单调递减。

结论

• (1)
  本研究在完整的粉壤土柱中建立了²³⁷Np、²³⁸Pu和⁹⁰Sr的迁移实验，分析了它们的吸附特性和迁移机制。1073天后，²³⁷Np和⁹⁰Sr的浓度峰值呈对称分布，分别向下迁移了3.25厘米（峰值浓度：1688 Bq·g^?1）和9.75厘米（峰值浓度：398 Bq·g^?1）。这种不同的迁移距离反映了它们之间的根本差异。

CRediT作者贡献声明

陈超：概念设计、监督、撰写——审阅与编辑。徐成龙：数据整理、正式分析、实验研究、数据可视化、初稿撰写——审阅与编辑。梁鹏良：实验研究。朱军：数据整理。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。