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強隔離理論在乏燃料填埋方面應用

2021-01-17 14:42  來源:嘿嘿能源heypower  瀏覽:  

在深層巖石中,鹵水主要位于巖石的裂縫和孔隙中,雖然占巖體體積百分之幾,但彼此連通。而且這些鹵水中的壓力往往是靜水壓力,也就是說,每10米深大約一百帕(約一個大氣壓),比靜巖壓力通常要大兩到三倍。
石油和天然氣地質(zhì)學家可能會說,這些鹵水是“停滯的”,但這只表示在十年時間的尺度上所有運動都可以看作是緩慢的。

但人類安全要求的時間尺度更長,掩埋核廢料必須隔離長達一百萬年。因此,即使用標準方法無法檢測到的每年1厘米微小流速,在一百萬年尺度上也可以達到10公里。

傳統(tǒng)的深部地質(zhì)安全分析是通過測量巖石的滲透性,估算“驅(qū)動”溫度、壓力和鹽度梯度來計算逃逸時間的。該模型還包括未被發(fā)現(xiàn)的地震斷層和未來可能形成的新斷層,這些斷層可能會沿著更高的地表滲透路徑形成一定范圍區(qū)域。

2、強隔離理論

沒有什么比測量更加有用:有沒有可能觀察到超微鹵水流速?

在過去幾年中,已經(jīng)開發(fā)出了一些方法,可以對水的停滯效果做出很好的估算。地質(zhì)學家已經(jīng)證明,世界上有一些地方的深層鹵水幾乎沒有移動——許多是在過去150萬年里,有些是在數(shù)億年前。

對于夾帶水分停滯靜止超過十萬年的形成物,我們可以稱之為“強隔離”。雖然對于核廢料儲存來說,沒有必要進行強隔離,但強隔離的存在讓人們相信,廢料存儲也有可能不會通過鹵水流泄露到地表。

深層鹵水的向上流動通常是由對流驅(qū)動形成的,而對流驅(qū)動與溫度梯度、地形和應力變化關系密切。

來自較深地層熱水比上層水密度低,深層水就會像氣球一樣緩慢上升,直到與上面巖石接觸并冷卻。然后,它會來回流動,被重新加熱,然后再上升。

原則上,這個過程可能會將溶解的放射性廢物帶到含水層和生物圈。但是這樣的對流單元也需要一定的要求——在強隔離中,由于鹽度引起的密度增加必須大于由于溫度引起的密度減少。

3、測量

新的理論可以使我們能夠測量地下水的停滯以及停滯的時間。最好的指標之一是氯-36——一種半衰期為30萬年的放射性同位素。

氯-36是由巖層中的天然鈾和釷在地下產(chǎn)生的。由于鈾的半衰期很長(鈾-238和釷-232的半衰期分別為45億年和140億年),鈾的含量在10萬到幾百萬年之間是恒定的。

α衰變釋放中子,氯-35吸收中子以恒定速率產(chǎn)生氯-36。因此,氯-36濃度會隨著時間增長不斷升高。

幾十萬年后,氯-36的衰變速率與其產(chǎn)生速率大致相同,因此可以計算出穩(wěn)定狀態(tài)(“長期平衡”)。并且對于不同的巖石混合物,過程的差異也相當明顯。如果測得的氯-36水平符合長期平衡,那么氯-36至少有150萬年沒有與地表水混合。

基底巖石中氯-36的長期平衡可以看作為與上層的隔離,因為如果鹵水移動,氯-36將不會達到其長期平衡濃度。

有一個簡單的規(guī)則:如果氯-36的水平是長期平衡水平的一半,那么水已經(jīng)停滯了大約一個半衰期,即大約30萬年。如果它是長期平衡水平的75%,那么它已經(jīng)停滯了兩個半衰期,即大約60萬年。

測量氯-36/氯-35比值最靈敏、最精確的方法是加速器質(zhì)譜法。

4、其他方法

以下是測量鹵水年齡的其他方法:

氦-4

鈾和釷衰變產(chǎn)生的大部分α粒子會停留在巖石中,變成氦原子。氦原子可以變成氣體逸出,也可以被鹵水帶走。如果氦積聚起來,則就是一種隔離層效果。

德國對氦的測量表明,氦的隔離年限可以超過1億年。

氖-21

氖是一種稀有元素,在巖石中,α粒子撞擊氧和氟原子核產(chǎn)生氖。氖的性質(zhì)比較穩(wěn)定,因此一個區(qū)域中的氖高于自然水平(0.27%)就表明這個區(qū)域穩(wěn)定性很強。

加拿大的研究表明,盆地中的鹵水停滯可以超過10億年。

碘-129

這種放射性同位素半衰期為1600萬年,是鈾-238自發(fā)裂變產(chǎn)生的。

根據(jù)已知的裂變速率,我們可以用碘-129的豐度來估算隔離年限。與氯-36一樣,地下深處的碘-129在產(chǎn)生和衰變之間最終會達到長期平衡。因為它的半衰期比氯-36長得多,碘-129可以提供關于鹵水隔離數(shù)千萬到數(shù)億年間的信息。

在測定范圍較短的時候,碳-14(5730年半衰期)可能有用。氪-81(22.9萬年半衰期)在大氣中產(chǎn)生,如果在地層深處測量到它的存在,可能表明地表水在向下移動。其他同位素,包括氬和氙,也可以提供更多相關信息。

另一個問題是未知地震斷層。強隔離已經(jīng)證明地震斷層問題并不太重要。如果這些斷層在一百萬年內(nèi)沒有造成地下水混合,那么它們在未來也不太可能發(fā)生滲流。

如果地下水已經(jīng)達到或接近長期平衡,那么在150萬年或更長的時間里,這些水將一直處于隔離狀態(tài)——不僅地震斷層影響不了,甚至還包括氣候變化(有可能改變水壓分布,引發(fā)冰川沖刷地表),上一次冰河時代還是在20000年前。

這種方法確實只測量氯-36的隔離度,而不測量含氯-36的水的隔離度。如果氯與當?shù)氐膸r石相互作用,它的遷移速度就會減慢。事實上,這種互動一般被認為很輕微。

但更重要的是,與水流速相比,氯-36的遷移與核廢料處理相關度更高。

氯-36與碘-129是核廢料中兩種壽命較長的同位素,在廢料中濃度高,半衰期長,對后代構成的威脅也更大。

5、最后的思考

考慮強隔離標準地點,可以通過計算機模型進行評估,評估中可以不完全依賴流體流動和放射性核素遷移情況。這種評估模型有一定的價值,但通過現(xiàn)場的測量計算也可以更好地證明其安全性。

基于以上所述的強隔離標準,在全國,乃至全世界一定會有理想儲存地點。

那么我們就應該從這些地點中挑選出最好的,然后把所有核廢料都填埋到那里嗎?

不一定!

“最佳”不僅僅是地質(zhì)學上,還包括周邊社區(qū)支持和交通便捷程度。

鉆孔儲存也是核廢料臨時儲存的一種方法,甚至有專家表示,這種方法可以替代乏燃料水池和干式貯存法。

實際上,從存儲鉆孔中提取核廢料也并不困難,這在鉆井行業(yè)根本不是問題。

從經(jīng)濟角度來看,如果廢物儲存時間超過15年,鉆孔儲存方案比地面儲存方案更劃算。如果存儲時間超過25年后,鉆孔儲存是地面儲存成本的一半。

強隔離的基本概念比較容易理解。其原理正如放射性碳在年代測定法上已經(jīng)成功應用一樣,放射性氯和其他方法也可用于測量深部鹵水年齡。

如果鹵水在過去的一百萬年里一直停滯,那么在接下來的一百萬年里,它們不太可能把任何廢物帶到地表。

因此,強隔離可能是我們保證核廢料儲存安全性的最佳指標。
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