利用柔性壁渗透仪获得粘土中核素迁移参数的实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土壤分析方法的研究技术领域，特别是涉及一种利用柔性壁渗透仪快 速获得粘土中核素迀移参数的实验技术方法，可用于核素迀移参数测试领域。
【背景技术】
[0002] 核素在粘土介质材料中的迀移行为研究为放射性废物处置库设计、选址、建造及 安全评价提供技术依据。目前研究核素迀移的主要方法有室内实验、模拟计算和现场试验 三种，在通过室内实验和现场试验获得核素迀移相关参数的基础上，利用数值模拟计算评 估长时间后核素的运移状况。然而由于粘土类介质材料的低渗透性和对核素的强吸附性， 使得采用传统室内实验（柱法、扩散池法、毛细管法等）技术获得核素迀移参数实验周期十 分漫长，往往需要几个月甚至更长时间。本发明提出了一种快捷简便获取核素在粘土类介 质材料中迀移参数的测量方法，节约了时间和成本。
[0003] 文献对比分析表明，本发明提出的柔性壁渗透仪快速获得粘土中核素迀移参数的 实验技术方法，在国内外相关领域未发现与该发明原理相同的专利及文献。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是：提供一种快速获取核素在膨润土等粘土类介质材料中迀移参数 的技术方法，具有实验周期短、测量精度高、操作简单等优点。
[0005] 本发明的技术方案：利用柔性壁渗透仪获得粘土中核素迀移参数的实验方法，该 实验方法包括下述步骤： 一、 将粘土类材料压制成确定干密度的多个圆柱型样品，分别放入柔性壁渗透仪压力 室中饱和；饱和完成后，在样品底部均匀加入示踪核素，设定不同压力开展实验，出口处定 时收集渗出液，计算渗流速率； 二、 当最高压力下样品的渗出液中出现示踪核素时，停止实验，将各样品取出沿轴向切 割呈Imm薄片，消解，测量核素浓度，获得多组核素沿土柱轴向核素浓度分布曲线； 三、 实验计算：1、该实验为一维迀移模型，源项为脉冲源，则核素在土柱中的迀移规律 可采用一维对流-弥散方程来表示：
式中：D-水动力弥散系数，cm2/s ;C-核素在水中的浓度，g/mL ;u-土柱中水的孔隙流 速，cm/s ;Rd-阻滞系数；λ-核素放射性衰变常数，1/s ;z-轴向距离，渗流方向为正，加源 处为0, mm ;t-时间，s ; 该实验条件下，源项采用脉冲源，初始边界条件为：
式中：η-孔隙度；m-单位过水面积上注入核素质量，g/cm2计算获得核素在土柱中分布数值解为：
2、 将上述实验结果按照公式4拟合，对比参数，则可以获得核素浓度峰值迀移距离为 ut/Rd，结合实验时间和渗流速率获得阻滞系数Rd，进而获得水动力弥散系数D ;不同压力可 获得多个水动力弥散系数D ; 3、 水动力弥散系数可表示为： D = Dn+a |u (5) 式中：Dm-分子扩散系数，cm2/s ; a -弥散度； 将不同压力下得到的水动力弥散系数与其对应的渗流速率按照公式5作图，则该直线 斜率即为弥散度a，截距即为分子扩散系数D"。
[0006] 基本原理：核素在空隙介质材料中渗流速率与渗流压力成正比，利用柔性壁渗透 仪进行不同渗透压力下核素在粘土中的迀移实验，通过分解土柱获得核素在土柱中的浓度 分布曲线；该实验近似认为是一维核素迀移模型，源项为脉冲源，采用一维对流-弥散方程 计算获得核素在土柱中迀移规律的数值解，将实验得到结果与数值解拟合，对比获得水动 力弥散系数和核素浓度峰值迀移距离；利用流出液质量和核素浓度峰值迀移距离，分别获 得水流和核素迀移速率，进而得到阻滞系数；不同压力下，可获得多组水动力弥散系数，利 用水动力弥散系数和该压力下的水流速率作直线图，则该直线斜率为弥散度，截距为分子 扩散系数。
[0006] 有益效果：该方法具有以下优点：①适应于核素在渗透系数小于1X10 9m/s的粘 土类材料中迀移参数的测试；②实验周期短，柔性壁渗透仪是能够提供0~2MPa压力的全 封闭系统，提高了核素迀移的速率，极大缩短了实验周期；③实验结果精度高，渗透试验过 程中试样由柔性材料包裹，在围压作用下有效克服了刚性壁渗透仪侧向渗漏所带来的实验 误差，防止了核素渗流液向渗透外环境的污染和渗漏；④数据采集方便，可以实现渗透过 程中渗流液的实时采集、化学监测和分析，通过成分特性的连续变化反推出试样中固液反 应及变化；⑤实验装置易于拆卸、清洗和更换，样品的后期处理易于实现，同时该装置具有 较强的防腐蚀和防沾污性能，利于开展重复实验。针对核素迀移参数测试研究工作，该方法 能够在较短周期内获得核素迀移参数，大大节省了测量周期和成本。
【附图说明】
[0007] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0008] 图1核素在土柱中浓度分布曲线；图2水动力弥散系数与水流速率关系曲线。
【具体实施方式】
[0009] 实施例1、利用柔性壁渗透仪获得粘土中核素迀移参数的实验方法，该实验方法包 括下述步骤： 一、 将粘土类材料压制成确定干密度的多个圆柱型样品，分别放入柔性壁渗透仪压力 室中饱和；饱和完成后，在样品底部均匀加入示踪核素，设定不同压力开展实验，出口处定 时收集渗出液，计算渗流速率； 二、 当最高压力下样品的渗出液中出现示踪核素时，停止实验，将各样品取出沿轴向切 割呈Imm薄片，消解，测量核素浓度，获得多组核素沿土柱轴向核素浓度分布曲线； 三、 实验计算：1、该实验为一维迀移模型，源项为脉冲源，则核素在土柱中的迀移规律 可采用一维对流-弥散方程来表示：
式中：D-水动力弥散系数，cm2/s ;C-核素在水中的浓度，g/mL ;u-土柱中水的孔隙流 速，cm/s ;Rd-阻滞系数；λ-核素放射性衰变常数，1/s ;z-轴向距离，渗流方向为正，加源 处为0, mm ;t-时间，s ; 该实验条件下，源项采用脉冲源，初始边界条件为：
式中：η-孔隙度；m-单位过水面积上注入核素质量，g/cm2计算获得核素在土柱中分布数值解为：
2、 将上述实验结果按照公式4拟合，对比参数，则可以获得核素浓度峰值迀移距离为 ut/Rd，结合实验时间和渗流速率获得阻滞系数Rd，进而获得水动力弥散系数D ;不同压力可 获得多个水动力弥散系数D ; 3、 水动力弥散系数可表示为： D = Dn+a |u (5) 式中：Dm-分子扩散系数，cm2/s ; a -弥散度； 将不同压力下得到的水动力弥散系数与其对应的渗流速率按照公式5作图，则该直线 斜率即为弥散度a，截距即为分子扩散系数D"。
[0010] 不同压力下，水流速率不同，可获得多组水动力弥散系数D，做水动力弥散系数与 水流速率的关系曲线，如图2所示，则该直线斜率为弥散度，截距为分子扩散系数。
【主权项】
1. 利用柔性壁渗透仪获得粘土中核素迀移参数的实验方法，其特征在于：该实验方法 包括下述步骤： 一、 将粘土类材料压制成确定干密度的多个圆柱型样品，分别放入柔性壁渗透仪压力 室中饱和；饱和完成后，在样品底部均匀加入示踪核素，设定不同压力开展实验，出口处定 时收集渗出液，计算渗流速率； 二、 当最高压力下样品的渗出液中出现示踪核素时，停止实验，将各样品取出沿轴向切 割呈Imrn薄片，消解，测量核素浓度，获得多组核素沿土柱轴向核素浓度分布曲线； 三、 实验计算：1、该实验为一维迀移模型，源项为脉冲源，则核素在土柱中的迀移规律 可采用一维对流-弥散方程来表示：式中：D-水动力弥散系数，cm2/s ;C-核素在水中的浓度，g/mL ;u-土柱中水的孔隙流 速，cm/s ;Rd-阻滞系数；λ-核素放射性衰变常数，1/s ;z-轴向距离，渗流方向为正，加源 处为0, mm ;t-时间，s ; 该实验条件下，源项采用脉冲源，初始边界条件为：式中：η-孔隙度；m-单位过水面积上注入核素质量，g/cm2 计算获得核素在土柱中分布数值解为：2. 将上述实验结果按照公式4拟合，对比参数，则可以获得核素浓度峰值迀移距离为 ut/Rd，结合实验时间和渗流速率获得阻滞系数Rd，进而获得水动力弥散系数D ;不同压力 可获得多个水动力弥散系数D。3. 水动力弥散系数可表示为： D = Dn+a |u (5) 式中：Dm-分子扩散系数，cm2/s ; a -弥散度； 将不同压力下得到的水动力弥散系数与其对应的渗流速率按照公式5作图，则该直线 斜率即为弥散度a，截距即为分子扩散系数D"。
【专利摘要】本发明属于土壤分析方法的研究技术领域，特别是涉及一种利用柔性壁渗透仪快速获得粘土中核素迁移参数的实验技术方法，该实验方法包括下述步骤：一、将粘土类材料压制成确定干密度的多个圆柱型样品，分别放入柔性壁渗透仪压力室中饱和；饱和完成后，在样品底部均匀加入示踪核素，设定不同压力开展实验，出口处定时收集渗出液，计算渗流速率；二、当最高压力下样品的渗出液中出现示踪核素时，停止实验，将各样品取出沿轴向切割呈1mm薄片，消解，测量核素浓度，获得多组核素沿土柱轴向核素浓度分布曲线；三、实验计算。本发明可用于核素迁移参数测试领域。
【IPC分类】G01N15/08, G01N33/24
【公开号】CN105181552
【申请号】CN201510561364
【发明人】不公告发明人
【申请人】中国人民解放军63653部队
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月6日