本發(fā)明屬于放射性廢物處置領(lǐng)域，涉及一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法。

背景技術(shù)：

高放廢物是指核廢物中放射性比活度高(占所有核廢物放射性強(qiáng)度的97％),釋熱量大，操作和運(yùn)輸過(guò)程中需要特殊防護(hù)，主要包括乏燃料后處理過(guò)程中產(chǎn)生的高放廢液及其固化體和準(zhǔn)備直接處置的乏燃料以及相應(yīng)放射性水平的其它廢物。高放廢物地質(zhì)處置的總要求是讓所處置的高放廢物與人類的生存環(huán)境相隔絕。因此，高放廢物地質(zhì)處置都采用多重屏障系統(tǒng)，以阻止或減弱一旦在處置庫(kù)系統(tǒng)失效后放射性核素由近場(chǎng)進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)和生物圈。多重屏障分天然屏障(處置庫(kù)圍巖)和人工工程屏障(包括廢物體、廢物容器、外包裝、緩沖材料和回填材料等)兩大部分。因此，所選的處置庫(kù)場(chǎng)地在區(qū)域構(gòu)造和工程地質(zhì)穩(wěn)定性方面要符合選址要求，處置庫(kù)圍巖的滲透性要低，對(duì)核素的吸附性要好，地下水的流速要緩慢，這些是天然屏障的最基本要求。

目前，可作為處置庫(kù)圍巖的主要有花崗巖和粘土巖兩大類，花崗巖由于其具有低滲透率，較好的導(dǎo)熱性，較強(qiáng)的離子交換能力和吸附能力等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際上高放廢物地質(zhì)處置研究的重點(diǎn)圍巖之一。我國(guó)已在甘肅北山花崗巖預(yù)選場(chǎng)址開(kāi)展了大量的研究工作，取得了階段性的成果。然而花崗巖中廣泛分布的裂隙降低了巖體強(qiáng)度，同時(shí)它也構(gòu)成了放射性核素在處置系統(tǒng)中遷移的通道，加快核素遷移的速度，縮短了核素到達(dá)生物圈的時(shí)間，因此處置庫(kù)裂隙是高放廢物地質(zhì)處置場(chǎng)址評(píng)價(jià)和處置庫(kù)建設(shè)所要重點(diǎn)考慮和研究的內(nèi)容。

描述裂隙介質(zhì)的典型模型有等效連續(xù)介質(zhì)模型、雙孔介質(zhì)模擬、管道流模型、統(tǒng)計(jì)連續(xù)模型和離散網(wǎng)絡(luò)模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，從而有效提高計(jì)算效率，并有效的指導(dǎo)安全評(píng)價(jià)的源項(xiàng)計(jì)算工作的開(kāi)展。

為實(shí)現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其依次包括如下步驟，

1)野外裂隙的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)及參數(shù)擬合；

輸入由統(tǒng)計(jì)資料確定的各組裂隙面服從的密度分布參數(shù)。裂隙的幾何參數(shù)不可能進(jìn)行逐個(gè)測(cè)量，只能對(duì)相對(duì)不多的裂隙進(jìn)行采樣測(cè)量，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析理論求出其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)目前對(duì)巖體裂隙幾何分布的研究成果以及工程實(shí)踐可知，巖體裂隙的幾何參數(shù)一般服從某一種或幾種概率密度分布。一般來(lái)說(shuō)，裂隙中心點(diǎn)位置服從研究域內(nèi)的均勻分布；跡長(zhǎng)服從負(fù)指數(shù)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；產(chǎn)狀(二維裂隙網(wǎng)絡(luò)用裂隙的方向角描述)通常服從Bingham分布、單變量或雙變量Fisher分布、雙變量正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布、均勻分布等；張開(kāi)度服從負(fù)指數(shù)分布或正態(tài)分布。在具體實(shí)際工程應(yīng)用中，首先利用鉆孔法、測(cè)線法或者測(cè)窗法從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)擬合來(lái)確定裂隙幾何要素分布概率密度函數(shù)以及分布函數(shù)的參數(shù)。表1所示為幾種典型概率分布函數(shù)及隨機(jī)變量的取值。

表1幾種典型概率分布函數(shù)及隨機(jī)變量的取值

2)離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的生成及裂隙網(wǎng)絡(luò)中不連通性裂隙和死端裂隙的刪除；

裂隙網(wǎng)絡(luò)的生成主要采用Monte-Carlo模擬技術(shù)，在利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理獲得裂隙的特征參數(shù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生符合裂隙分布概率模型的隨機(jī)變量，模擬各組裂隙各要素及分布。對(duì)于二維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙的形態(tài)主要由裂隙中心點(diǎn)、跡線長(zhǎng)度和方向角或傾角3個(gè)參數(shù)來(lái)確定。

在三維坐標(biāo)中假定一個(gè)二維裂隙生成域，將優(yōu)勢(shì)裂隙面產(chǎn)狀進(jìn)行視傾角轉(zhuǎn)換，采用ment-carlo法生成裂隙，裂隙網(wǎng)絡(luò)生成之后，如圖1所示并非所有的裂隙都是有效的裂隙，在整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)中，只有具有導(dǎo)水能力的連通裂隙才具有研究?jī)r(jià)值，不連通的裂隙在滲流場(chǎng)中只起貯水作用，因此程序處理中將不具導(dǎo)水能力的裂隙和死端裂隙進(jìn)行了刪除，從而最終形成連通裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化的具體做法是判斷某一裂隙與其他裂隙及邊界的交點(diǎn)數(shù)，當(dāng)交點(diǎn)數(shù)小于等于1時(shí)即將裂隙去掉，同時(shí)將導(dǎo)水裂隙伸出來(lái)的孤立的一段也去掉，如此循環(huán)幾次可得到對(duì)滲流和傳質(zhì)過(guò)程有貢獻(xiàn)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

3)計(jì)算裂隙網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)水頭；

二維裂隙網(wǎng)絡(luò)中水頭和流速可以通過(guò)解式(1)動(dòng)量守恒方程和式(2)質(zhì)量守恒方程求得。

式中：式(1)右邊第二項(xiàng)代表摩擦力引起的水頭降，u為裂隙中的頭流速(SI單位：m/s)，ρ為水的密度(SI單位：kg/m3)，p為水頭(SI單位：m)，dh為水力半徑(見(jiàn)式(3))，fd(無(wú)量綱)為達(dá)西摩擦因子(見(jiàn)式(4))，F(xiàn)為體積力(SI單位：N/m3)。

式中：A為裂隙橫截面面積(SI單位：m2)，Z為濕周(SI單位：m)。

達(dá)西摩擦因子表示為Reynolds數(shù)(Re)數(shù)和裂隙表面粗糙度與水力半徑之比的函數(shù)，對(duì)于Re<2000的層流流動(dòng)，達(dá)西摩擦因子可以表示為5式，Re可以用(6)式表示。

4)計(jì)算裂隙網(wǎng)絡(luò)中的放射性核素濃度。

元素i在裂隙網(wǎng)絡(luò)中的遷移方程可以用(7)式表示，式中左端第二項(xiàng)代表對(duì)流遷移量，右端第一項(xiàng)代表彌散與擴(kuò)散遷移量，右端第二項(xiàng)代表元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的變化量，右端第三項(xiàng)代表元素被裂隙壁吸附的量。

式中：A為裂隙壁的橫截面(SI單位：m2)，ci為裂隙中元素i的濃度(SI單位：mol/m3)，u為裂隙中的滲流速度，Di為元素的分子擴(kuò)散系數(shù)(SI單位：m2/s)，DD,i為元素i的彌散系數(shù)(SI單位：m2/s)，Rik為化學(xué)反應(yīng)量(SI單位：mol/(m3·s))，Rwall,ik為裂隙壁對(duì)元素i的吸附量(SI單位：mol/(m3·s))。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中步驟1)中野外裂隙的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)為對(duì)相對(duì)不多的裂隙進(jìn)行采樣測(cè)量，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析理論求出其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中步驟1)中所述的參數(shù)為服從一種或幾種概率密度分布的參數(shù)。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中所述的概率密度分布包括裂隙中心點(diǎn)位置服從研究域內(nèi)的均勻分布；跡長(zhǎng)服從負(fù)指數(shù)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；產(chǎn)狀服從Bingham分布、單變量或雙變量Fisher分布、雙變量正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布或均勻分布；張開(kāi)度服從負(fù)指數(shù)分布或正態(tài)分布。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中步驟2)的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的生成采用monte-carlo法。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中所述的monte-carlo法利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理獲得裂隙的特征參數(shù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生符合裂隙分布概率模型的隨機(jī)變量，模擬各組裂隙各要素及分布。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中所述的monte-carlo法對(duì)于二維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙的形態(tài)主要由裂隙中心點(diǎn)、跡線長(zhǎng)度和方向角或傾角3個(gè)參數(shù)來(lái)確定。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中所述的monte-carlo法對(duì)不連通性裂隙和死端裂隙的刪除是判斷某一裂隙與其他裂隙及邊界的交點(diǎn)數(shù)，當(dāng)交點(diǎn)數(shù)小于等于1時(shí)即將裂隙去掉，同時(shí)將導(dǎo)水裂隙伸出來(lái)的孤立的一段也去掉。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中步驟3)采用立方定律計(jì)算。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種離散裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)放射性核素在巖石裂隙中遷移的方法，其中步驟4)利用溶質(zhì)遷移方程計(jì)算所述的裂隙網(wǎng)絡(luò)中的核素濃度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的二維裂縫網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化示意圖。

圖2為具體實(shí)施方式的示例性模型中BS01孔周圍原始裂隙網(wǎng)絡(luò)和簡(jiǎn)化后的連通裂隙網(wǎng)絡(luò)(1000m×600m)。

圖3為具體實(shí)施方式的示例性模型中Pu-240輸入曲線圖。

圖4為具體實(shí)施方式的示例性模型中水頭和流速分布圖。

圖5為具體實(shí)施方式的示例性模型中Pu-40遷移情況圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步的說(shuō)明，但這種具體實(shí)施方式只是示例性的。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)可以獲得某地裂隙的傾角分布特征：1、緩傾角(<40)所占比例約9％，而陡傾角節(jié)理(>60)所占比例較大2、傾角在70～80度之間的節(jié)理最為發(fā)育平均占42％，其次是80～90度，占22.6％，再次是60～70占18％，統(tǒng)計(jì)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，I類裂隙的傾向變化錯(cuò)綜復(fù)雜，隨深度的變化規(guī)律不明顯，II、III類裂隙的傾向變化具有一定的規(guī)律性。對(duì)于I類節(jié)理，在50-544m段很發(fā)育，最大密度為5條/m。對(duì)于II類節(jié)理，最大密度為1.1條/m，對(duì)于III類節(jié)理，其密度較前兩者更小，最大密度為0.48條/m，第IV類節(jié)理規(guī)模較大，屬于斷層，在模型中作為確定性裂隙或者斷層帶直接輸入。綜合以上信息建立長(zhǎng)1000m高600m的二維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)剖面圖(圖2)。

在建立了二維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型之后，即可根據(jù)前述方法計(jì)算模型中的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的水頭和核素濃度。為了簡(jiǎn)化模型，在模擬過(guò)程中假設(shè)二維模型中的左右邊界分別為定水頭邊界，其水頭分別為10m和9m，放射性核素Pu-240注入模型中左下腳節(jié)點(diǎn)處，其輸入曲線見(jiàn)圖3，計(jì)算得到的水頭和流速分布圖4，計(jì)算得到的Pu-240濃度見(jiàn)圖5。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。上述實(shí)施例或?qū)嵤┓绞街皇菍?duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實(shí)施方式從任何方面來(lái)看均應(yīng)視為說(shuō)明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說(shuō)明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。