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核能是21世纪人类的主要能源之一,随之而来的大量放射性核废料的处置以及核素在回填材料中的迁移行为研究是我们要面临的重要课题。本文以多孔介质污染物迁移动力学理论为基础,建立数学模型,对模型进行拉普拉斯变换求得解析解,并编制了计算机程序,分析研究了核素锶、铯在回填材料内的迁移转化规律以及不同配比回填材料的阻滞性能。
根据质量守恒定理,建立核素迁移方程。根据实验设置条件,选取边界浓度恒定作为迁移过程的边界条件,通过实验与数值相结合的方法求得锶、铯在回填材料中的弥散系数和阻滞系数。将各参数代入方程,结合边界条件和初始条件,建立描述该类回填材料内核素迁移的数学模型。
在上述理论和数学模型的基础上,用MATLAB语言编制了计算机程序。计算分析了锶、铯在回填材料溶液流出端不同时刻的浓度,其结果与实验值吻合较好。并以该程序为工具,分析了时间、回填材料中的水流速、锶和铯在回填材料中的吸附分配系数、弥散系数以及扩散系数对核素迁移的影响。结果表明:锶、铯在回填材料中的迁移速度随分配系数增加而减少,随弥散系数和水流速的增加而增大,但不呈线性关系,大部分的锶、铯被阻滞在几米厚的回填材料内。当回填材料中不存在水流时,锶、铯在回填材料中的迁移主要受分子扩散影响而迁移很慢,6m和9m厚的压实回填材料足以1万年分别阻滞铯、锶扩散到环境中。在相同的条件下,回填材料对铯的阻滞性能要比对锶的阻滞性能好。
本文的数学模型和计算机程序有较强的通用性,为今后核素迁移的研究和新型回填材料的开发提供了理论基础和有力工具。