放射性物質(zhì)在

放射性物質(zhì)在第1頁/共44頁2、巖石中放射性核素的來源和分布

天然放射性核素：

自地球形成，地殼中就含有原生放射性核素，它們的半衰期可與地球的年齡相比較，主要的原生放射性核素有40K、232Th、238U，次要的有87Rb、235U等。

各類巖石因結構和礦物成分的差異，原生放射性核素的含量有明顯的不同。一般情況下，酸性巖鈾、釷含量較高，基性巖漿巖鈾、釷含量較低。同一類型的花崗巖中，成巖年代愈近，鈾、釷含量愈高。除原生放射性核素外，巖石中還含有某些宇生放射性核素如14C、3H及重核裂變產(chǎn)物如95Zr、137Cs、90Sr、131I等。第2頁/共44頁第3頁/共44頁6.1.2土壤1、土壤的性質(zhì)和分類

土壤一般指基巖層以上有植物生長的疏松物層，它以不連續(xù)的狀態(tài)覆蓋于地球表面。

它的基本成分是巖石與水循環(huán)系統(tǒng)之間長期風化作用形成的風化狀巖石物質(zhì)。土壤組成主要有礦物質(zhì)、水、空氣和有機質(zhì)。土壤的分類按其無機礦物組分中砂粒、粉砂粒及粘粒組成不同可分為砂土、壤土、粘土。第4頁/共44頁2、土壤中放射性核素

天然放射性核素：

40K、232Th、238U等。

人工放射性核：

137Cs、134Cs、90Sr、106Ru、240Pu等，其中137Cs、90Sr對土壤長期污染的貢獻最大（TSr-90=28.8a,TCs-137=30.17a）。第5頁/共44頁6.1.3地下水1、地下水的埋藏條件與分類

地下水面下巖土孔隙完全被水充滿的地帶為飽水帶、地下水面以上的地帶為包氣帶，地下水亦可相應地分為包氣帶水和飽水帶水。飽水帶水中的地下水不受巖土的束縛而處于自由狀態(tài)，能在重力作用下自由流動，并可傳遞靜水壓力，又稱為重力水。重力地下水按其埋藏條件又可分為上層帶水、潛水及承壓水。第6頁/共44頁3、地下水運動的基本規(guī)律

地下水在地層介質(zhì)孔隙中的流動稱為滲流。根據(jù)流量、孔隙度、孔徑的不同，地下水可能呈現(xiàn)層流或紊流(湍流)兩種流動狀態(tài)。1）達西定律一維系統(tǒng)中，地下水流動的通量為：

式中的負號表示地下水由高水壓向低水壓處流動；滲透系數(shù)K與介質(zhì)的孔隙度有關，也與地下水的粘滯度及密度有關。在潛水及承壓水等飽水流動條件下，K值為常數(shù)；在包氣帶中非飽水流動條件下，K值因土壤水吸力的不同而有所變化。為水壓梯度第7頁/共44頁飽水流動條件下，當?shù)叵滤苛鞒讨兴畨禾荻缺３植蛔儠r，上式可改寫為：第8頁/共44頁2）地下水的滲流速度地下水流橫截面積W指含水地層的過水面積，包括地層介質(zhì)與孔隙所占面積之和，地下水流的實際過水面積W’僅是空隙所占的面積：

W’=W×

地下水在孔隙中的實際流速為：為介質(zhì)的有效空隙率3）水力梯度水力梯度I為地下水滲流過程中單位滲流途徑長度(流程)上的水頭損失。第9頁/共44頁4）滲流系數(shù)

水力梯度為定值時，滲流系數(shù)愈大，滲流速度就愈大；反之，滲流系數(shù)為定值時，水力梯度愈大，滲流速度也愈大。第10頁/共44頁6.2放射性物質(zhì)在巖石、土壤和地下水中的物理、化學與生物學行為6.2.1放射性物質(zhì)在巖石中的行為

1、放射性物質(zhì)在巖石中的存在形態(tài)

原生的天然鈾、釷元素可形成獨立或共生礦物存在于巖石中，有的被其它礦物吸附，有的以溶解狀態(tài)存在于礦物包裹或粒間及晶體裂隙的水分中。

鉀是地殼中的主要造殼元素之一，大部分賦存于堿性長石中，多與氧、硅或鹵族元素結合，主要以鉀長石、白榴石等礦物形式存在。隨地下水進入巖石裂隙中的人工放射性核素常以離子狀態(tài)被巖石表面吸著，也可能以氧化物或氫氧化物形式沉積在巖石表面上。第11頁/共44頁2、放射性物質(zhì)在巖石中的行為

1）原生放射性物質(zhì)在巖石中的遷移

地殼淺部的表生帶內(nèi)因太陽能的作用，存在著劇烈的元素遷移、分散和富集作用，以至形成具有開采價值的礦床，并使鈾元素得以強烈遷移。

鈾在自然界中主要以四價和六價兩種價態(tài)存在，在有氧化劑的存在時，四價鈾氧化成六價鈾，進而與氧結合成鈾酰絡合陽離子；鐳一般不進入礦物晶格內(nèi)，不形成獨立礦物，具有很強的遷移能力；鉀極易從礦物中釋放進入水，具有很強的遷移能力；釷在表生帶中以機械風化遷移為主。第12頁/共44頁2）放射性物質(zhì)在巖石裂隙中的吸著和遷移

固體放射性廢物處置主要傾向于采用近地表埋藏和地質(zhì)處置。故研究放射性物質(zhì)在地質(zhì)層中的遷移行為已成為放射性廢物安全處置的重要課題之一。影響遷移的因素：水力輸運作用和巖、土介質(zhì)對核素的吸著作用。核素在巖土表面與水流之間的分配特性可用固液相分配系數(shù)Kd表示：第13頁/共44頁第14頁/共44頁6.2.2放射性物質(zhì)在土壤中的物理化學行為

1、放射性物質(zhì)在土壤中的物理化學行為1）粘粒礦物的陽離子交換作用土壤中的次生礦物和腐殖質(zhì)多以膠體顆粒的形態(tài)存在，具有較大的表面能和吸附性能，因此，交換吸附是影響放射性物質(zhì)在土壤中遷移的最主要的物理化學過程。粘粒的主要成分次生硅鋁酸鹽，是一種片狀結構的顆粒，其表面帶有豐富的負電荷，具有可觀的陽離子交換容量。放射性物質(zhì)與之吸附、交換等過程。第15頁/共44頁

土壤中的陽離子吸附在土壤的表面，它與放射性離子交換：有相腐殖質(zhì)的H+也可發(fā)生上述反應：

第16頁/共44頁2）放射性物質(zhì)在土壤中的遷移放射性核素在土壤中以交換作用而吸著在土壤顆粒表面、與氧化物或氫氧化物的形式沉淀、與土壤中的有機物螯合等三種形式存在。3）農(nóng)作物的吸收放射性核素與它的穩(wěn)定核素相同的離子形式被植物吸收。研究表明，凡是在土壤中以陽離子形式存在的金屬元素都能在植物中出現(xiàn)。第17頁/共44頁2、影響放射性核素在土壤中物理化學行為的因素1）氣候與地形地貌氣載流出物中的放射性核素→下雨→放射性核進入土壤→大量降雨加速核素向深層滲透和遷移。地貌影響雨水的吸附，貯積等，如斜坡比平地受放射性核素污染程度少。第18頁/共44頁2）放射性核素存在的形態(tài)和性質(zhì)一般情況下，高價陽離子，水合離子半徑或等效體積小的離子，極性離子，與土壤顆粒中離子基團反應強烈的離子，與溶液中電荷相反的離子生成絡合物可能性較小的離子，在粘粒表面上的交換吸著容量較大。

按離子的化合價來說，粘粒礦物的選擇性吸附順序為：四價離子＞三價離子＞二價離子＞一價離子；堿金屬與堿土金屬的水合離子半徑隨原子序數(shù)增大而減小，其選擇性吸附順序為：

Cs+

＞Rb+

＞K+

＞Na+＞Li+；

Ba2+

＞Sr2+＞Ca2+

＞Mg2+；第19頁/共44頁

核素形態(tài)對交換吸著也有很大影響，一般溶解態(tài)的陽離子易被吸著，遷移能力小；難容態(tài)的氧化物或沉淀物不易被吸著則隨水流在土壤縫隙遷移。如土壤中PuO2的遷移速度比Pu4+快約100倍。以固體微粒形態(tài)存在的放射性物質(zhì)，其粒徑及比活度對溶解度及被農(nóng)作物吸收攝取的程度有明顯的影響。第20頁/共44頁3）土壤的性質(zhì)

土壤的種類和顆粒大小：粘土的吸附能力大于砂土的吸附能力；顆粒越小，比表面越大，吸附能力越強；

土壤的pH值：

pH與土壤中的CO2有關，它影響土壤中放射性核素的水解，影響微生物與細菌的活動；第21頁/共44頁第22頁/共44頁土壤中的配位體：

土壤是一個絡合-螯合物質(zhì)體系，其中含有多種天然的無機和有機配位體，可與放射性核素發(fā)生絡或螯合反應，無機配位體有：

HCO3-、CO32-、SO42-、H2PO4-、HPO42-等，有機配位體有：腐殖酸、胡敏酸、富里酸及微生物分解合成的有機產(chǎn)物和分泌物等。

例：第23頁/共44頁土壤中的天然載體：

土壤中含有多種常量及微量元素，它們可成為放射性核的天然載體，對其在土壤表面的吸附具有某種競爭及稀釋作用，從而減少其吸附量；第24頁/共44頁

土壤的含水量：

含水量影響pH、對某些放射性核素有溶解作用、影響微生物及細菌的活動等；土壤中的氧化還原物質(zhì)：土壤中的氧化劑為氧氣、微量高價金屬離子和硝酸根等，還原劑主要是有機質(zhì)。土壤的氧化還原狀態(tài)會改變放射性核素的價態(tài)，從改變其吸附行為。第25頁/共44頁6.2.3放射性物質(zhì)在地下水中的物理、化學及生物行為1、放射性物質(zhì)在地下水中的存在形態(tài)基本存在形態(tài)有溶解狀態(tài)的無機離子、溶存狀態(tài)的有機化合物及膠體。放射性核素在地下水中的存在形態(tài)與其來源關；與地下水的氧化還原電位、酸堿度及水化學成分等物理化學性質(zhì)有關。第26頁/共44頁第27頁/共44頁2、放射性物質(zhì)的水遷移放射性物質(zhì)的水遷移分為兩處階段：

第一階段：放射性物質(zhì)從巖石中進入水中放射性核素在水中富集過程；第二階段：放射性物質(zhì)在重力水的作用下在地下遷移，其遷移強度與核素在地下水中的存在形式及水的運移方向和速度有關。第28頁/共44頁3、放射性物質(zhì)在地下水中的物理化學行為氧化還原反應：放射性核素的電極電位及pH值有關；酸堿反應：放射性核素(金屬)在土壤中水解生成H+離子，水解反應受地下水的pH影響十分明顯；離子交換和吸附：它們對放射性核素的水遷移能力有很大的影響，其吸著程度與地下水的pH值及化學組成、介質(zhì)的性質(zhì)及成分有很大的關系；第29頁/共44頁配位作用：土壤中含有許多有機和無機配位體，它們能與放射性核素發(fā)生絡合或螯作用；核素的衰變：一般情況下，短壽命的核素對環(huán)境污染面積較小，長壽命的放射性核影響較大。第30頁/共44頁4、放射性物質(zhì)在地下水中的生物學行為

某些植物生長能富集放射性核素，某些動植物和微生物的代謝產(chǎn)物可與水中放射性物質(zhì)的作用，微生物與放射性物質(zhì)的作用。如：第31頁/共44頁6.3放射性物質(zhì)在包氣帶及飽水帶地下水中的遷移6.3.1地下水中物質(zhì)遷移的基本理論1、多孔介質(zhì)

包氣帶土層、潛水層和承壓水層介質(zhì)都是有一定孔隙度的多孔介質(zhì)。

a多孔介質(zhì)是一種多相物質(zhì)，在其所占據(jù)的空間中，除固體相外，至少有一相不是固體(為氣相或液相)；

b孔隙所占的空間在整個多孔介質(zhì)內(nèi)接近均勻分布，且比較狹窄，因此，固體骨架的比表面較大；

c孔隙空間應有相當部分相互連通，就水在多孔介質(zhì)中的流動而言，相互連通的孔隙為有效孔隙，不連通的孔隙空間對水在多孔介質(zhì)中的流動是無效的。第32頁/共44頁2、溶質(zhì)的平流輸運地下水在含水地層介質(zhì)孔隙中流動時，攜帶著水中的污染物以相同的運移速度在孔隙中遷移，導致污染物的平流輸運。污染物隨水流運動的遷移通量稱為污染物平流通量，它與地下水中污染物濃度成正比：第33頁/共44頁3、彌散作用實驗：一長度為L的砂柱先用純水使飽和，從t=0開始，沿斷面A連續(xù)均勻地注入濃度為C0的守恒示蹤劑溶液，濃度和流量保持不變。在t=t’時，測得濃度變化曲線呈型。第34頁/共44頁

圖為一維均勻流場中某一點連續(xù)注入一種守恒示蹤劑溶液后，示蹤劑在源點周圍地下水的彌散情況。第35頁/共44頁地下水的彌散作用：分子擴散和機械彌散1）分子擴散多孔介質(zhì)中污染物的分子擴散可用濃度梯度理論來描述：第36頁/共44頁

a

b

c2）機械彌散第37頁/共44頁機械彌散導致的污染通量為：

地下水在地層介質(zhì)中流動時，分子擴散和機械彌散往往是同時存在的兩者合稱為水動力彌散，相應的污染物彌散通量為：

式中K為水動力彌散系數(shù)：第38頁/共44頁4廓清作用對非守恒污染物應考慮與地下水及介質(zhì)之間的物理、化學及生物反應所導致的廓清作用。吸附、離子交換、沉淀和衰變降解具