铀在固体介质中的扩散行为研究

柏 云 帅震清 朱晓红 杨光文 廖俊生

1（中国工程物理研究院 绵阳 621900）

2（四川省辐射环境管理监测中心站 成都621000）

随着原子能事业的迅速发展，放射性核素在环境介质中的逐渐渗透、扩散成为关注热点。国内外对放射性核素在污染介质中的迁移扩散研究，主要是它们在地质层和各种屏障材料中的吸附、滞留和扩散行为，侧重于核素在环境介质中迁移特性的主要参数的测定研究[1–4]，如吸附分配比(Kd)、扩散系数(DL)、滞留因子(Ra)等。Kookana等[5]研究了核素在土壤中随各种水流条件的吸附规律，Weiner等[6]对新墨西哥州的超铀废物处置库WIPP进行了一系列示踪试验研究，以确定影响核素扩散的过程及参数。中国辐射防护研究院和日本原子力研究所合作开展了钴、锶、铯在非饱和黄土中的扩散吸附行为。本文主要研究放射性核素铀在土壤、水泥中的迁移扩散行为，了解设施周围环境可能的污染状况，为生产厂房的安全退役和核废物处置提供科学依据，在退役过程中最大限度地减少废物产生量，节约成本，提高效率。

1 实验

1.1 样品采集与制备

柱迁移实验中所用土壤样品采用某实验室厂房外的地表土，为深褐色含角砾、砂质亚粘土。在实验室自然风干至恒重，筛分为8–40目；所用水泥样品为普通水泥与水按5:1的质量比配制，充分搅拌后在室温下养护28 d，磨成20–120目的颗粒。

环境土壤采集距某已关闭的放射性分析实验室厂房外约5 m的地表土，每隔5 cm深度采集一个重量为250 mg土壤样。水泥样品采自废水房外的水泥地面。

1.2 铀标准溶液的配制

铀标准溶液采用基准 U3O8进行配制，配制前先将 U3O8灼烧至恒重，然后称取一定量溶于硝酸溶液中稀释至刻度。

1.3 柱迁移实验

实验所用色层柱为内径25 mm、柱长200 mm的玻璃柱。在柱子底部填充一些玻璃毛，装少量水后装入一定量样品颗粒，装填密实后在顶部土样表面填充一些玻璃毛，使用带有导管的橡皮塞将顶部塞住，用水淋洗使之平衡。装柱参数见表1。以氚水为示踪剂，向实验柱中注入比活度为

表1 装柱实验参数Table 1 Sample-filling parameters of the test column.

5.25 Bq·mL–1的标准氚水0.5 mL，用淋洗液淋洗，所得淋洗曲线对应的峰体积为自由柱体积FCV，则色层柱的有效孔隙率ε=FCV/V，其中V为柱体积。然后，用恒流泵注入铀标准溶液，待铀在柱上充分吸附平衡后(吸附6 d)用水淋洗，水流速度与氚水流出速度一致。流出液用收集器收集，测量流出液的浓度，得到流出曲线。计算核素的柱分配系数(mL/g):

Kd=ε(Rd–1)/ρ, 式中，ρ为内填充材料的堆积密度；

Rd为滞留系数，也即流出曲线峰与氚峰的体积比。

2 结果与讨论

2.1 Rd与Kd的测定

土壤柱和水泥柱氚水淋洗曲线如图1所示。当土壤柱和水泥柱的流出氚水体积分别为40、30 mL时，流出浓度达最大值。由ε=FCV/V得到有效孔隙率为0.54、0.51。

图2为土壤柱和水泥柱的铀流出曲线，它们的水流出量分别为6000、4000 mL时，流出铀浓度达最大值，由Kd=ε(Rd–1)/ρ算得它们的滞留系数分别为150、133.3，分配系数发表为84.7、23.9 mL/g。

图1 土壤柱(a)和水泥柱(b)氚水流出曲线Fig.1 Effluent curve of tritium water in soil column (a) and cement column (b).

图2 土壤柱(a)和水泥柱(b)铀流出曲线Fig.2 Effluent curve of uranium in soil column (a) and cement column (b).

实验结果表明，铀在土壤中的分配系数大于在水泥颗粒中的分配系数，这与土壤的粒径以及比表面、矿物组分等理化性质有关，也说明铀在水泥中的吸附性能较弱，而迁移较快。

2.2 环境土壤与水泥样品放射性比活度测量

235U为α衰变体，伴随放出的γ射线中以185 keV最强(发射几率为54%，内能转移系数为26%)。对采自实验室外的土壤样品用高纯锗γ谱仪进行了测量，结果列于表2。

表2 环境土壤及水泥样品中235U比活度测量结果(Bq·kg–1)Table 2 Specific radioactivity results of environmental soil sample and cement sample.

由此可见，该地区环境土壤中 U的比活度为4.5–5.8 Bq·kg–1，测量结果表明，在 0–100 cm 深度的土壤中，235U的比活度与该地区环境土壤本底值基本一致，未受到污染。随着样品取样深度的增加，235U的比活度测量结果基本不变，且土壤样中235U比活度大于水泥样中235U比活度，表明铀在土壤中的吸附性能大于水泥中的吸附性能，与柱吸附实验结果一致。

3 结语

用土柱法测得土壤和水泥样品的Rd与Kd值分别为150、133.3和84.7、23.9 mL/g。

实验室外环境土壤及水泥样品的235U比活度测量结果与该地区环境土壤本底值基本一致，随着样品取样深度的增加，235U的比活度改变不明显。研究结果表明，实验室外的水泥建筑及环境土壤均未受到污染。

1 Yen G T, Ward D S. A finite element method of waste transport through porous saturated media. ORNL- 5601,1984

2 Scott F B, Ronald H T. Thorium, uranium and cesium-137 in Louisiana soil: migration trends in a soil catena near Dubach, Louisiana, USA. Radiochimica Acta[J], 1991,52/52: 241–247

3 Frick U, Alexander W R, Baeyens B. Grimsel Test Site:The radionuclide migration experiment-overview of investigations 1985–1990, Nagra Technical Report, 1992,NTB91-04

4 Stanislaw Maciejewski. Numerical and experimental study of solute transport in unsaturated soil. J of Contaminant Hydrology[J], 1993, 14: 193–206

5 Kookana R S, Schuller R D, Aylmore L A G. Simulation of strontium transport through soil columns using time-dependent sorption data measured under flow conditions. J of Contaminant Hydrology[J], 1993, 14:93–115

6 Weiner R F, Stockman C T, Wang Y. A conceptual performance assessment model of the dissolved actinide source term for the WIPP . Sandia National Labs,Albuquerque, NM (United States), 1996, 16–21