對地下核試驗造成的地下水污染的評價論文

　　摘要：地下水核試驗會產(chǎn)生放射性核素，人們非常關(guān)注它造成的環(huán)境危害。這種危害很大程度上依賴于物理和化學機理，這些機理控制著放射性核素如何進入地下水并將它傳播給生物圈內(nèi)的各種物種。在內(nèi)華達州南部和美國其它的試驗基地，相關(guān)的環(huán)境包括地下水中潛在的污染、它們對環(huán)境或農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的影響，以及它們對那些可能會發(fā)生間接生態(tài)影響的地方的地表水源的極限排泄的環(huán)境。在南太平洋的阿留申群島的海洋試驗區(qū)，人們還對地下水中滲漏的放射性核素進入海水以及由此引起的對漁民和其它生物所產(chǎn)生的影響表示關(guān)注。

　　關(guān)鍵詞：地下核試驗 地下水污染

　　地下水核試驗會產(chǎn)生放射性核素，人們非常關(guān)注它造成的環(huán)境危害。這種危害很大程度上依賴于物理和化學機理，這些機理控制著放射性核素如何進入地下水并將它傳播給生物圈內(nèi)的各種物種。在內(nèi)華達州南部和美國其它的試驗基地，相關(guān)的環(huán)境包括地下水中潛在的污染、它們對環(huán)境或農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的影響，以及它們對那些可能會發(fā)生間接生態(tài)影響的地方的地表水源的極限排泄的環(huán)境。在南太平洋的阿留申群島的海洋試驗區(qū)，人們還對地下水中滲漏的放射性核素進入海水以及由此引起的對漁民和其它生物所產(chǎn)生的影響表示關(guān)注。

　　在內(nèi)華達州的試驗基地，進行了800多項核試驗，其中約有1/3在地下水位下。僅在地下水位以下進行的試驗中，放射性核素就有超過108居里的放射能，由于大部分的地下試驗都位于地球表面之下幾百米甚至更深處，因其特性很難獲得數(shù)據(jù)，所除去的放射性污染物很少，很難評價其向公共水井或私人水井的流動走勢。結(jié)果是對進入或移向地下水放射性核素的潛能的評價。盡管這樣的模型設(shè)計得很容易理解放射性核素遷移過程所包含的復雜機理，但是它仍然能很好地對一些確實存在的特殊數(shù)據(jù)進行解釋和綜合評價。也有利于今后確認設(shè)計數(shù)據(jù)及其特性應(yīng)用。本文作者在這樣的模型研究中，討論了幾個更為獨特的、需要相關(guān)步驟的，而且重點在地下水位下擾亂了的環(huán)境附近的試驗。分析中，第一步要理解“擾亂的”環(huán)境自身——它是如何形成的，放射量在試驗的工作地點是如何分配的。大部分的討論是概念性的，考慮到了物理、化學和其它屬于傳統(tǒng)的傳輸模式范疇的、受較為復雜的相關(guān)沖擊的影響。接下來，作者會討論在放射物最終進入水中的過程，哪些是更重要的過程，以及將來放射物從試驗基地移走的問題。最后，作者主要討論根據(jù)這些工藝而設(shè)計的流線模擬設(shè)施，并對將來這個地方能進行什么樣的工作進行討論。

　　一、核試驗影響測試

　　地下核設(shè)備的引爆會釋放出大量的能量，使得試驗點周圍區(qū)域內(nèi)相關(guān)的地質(zhì)和設(shè)備材料發(fā)生蒸發(fā)。實驗產(chǎn)生的高溫和壓縮的震動波會使試驗點生成空隙和裂隙或者改變洞壁上的結(jié)構(gòu)�？籽ㄊ瞧�化作用和原始的地質(zhì)介質(zhì)的壓縮所造成的。孔穴的大小(或半徑)可以根據(jù)爆破能的作用力、埋藏的深度以及地質(zhì)介質(zhì)的強度而估算出來。孔穴最大尺寸在爆炸發(fā)生后的1/10秒內(nèi)即可達到。在接下來的幾秒鐘，發(fā)生爆炸、溫度冷卻、氣壓消散、孔穴內(nèi)氣體的成分開始按順序冷凝，冷凝順序按相對蒸汽壓或沸點進行。首先，巖石和重放射性核素元素，同墻內(nèi)壁上的熔融巖塊一起，在洞的底部積聚成熔融的泥膠土。試驗幾小時或幾天后，上面的材料坍塌進入洞內(nèi)，形成一個垂直的“碎石”豎井，這個“豎井”隨著地面的擴大而擴展，在那里形成一個彈坑。部分倒塌的材料會落入熔融膠泥體內(nèi)。如果最初的爆炸點位于地下水之下，則地下水此時會再次涌入洞內(nèi)。

　　二、放射性核素的分布

　　放射性核素同地下水的核爆炸有關(guān)，核反應(yīng)與爆炸有關(guān)，并在地質(zhì)介質(zhì)中生成活性產(chǎn)物。在爆炸后幾秒到幾小時的時間內(nèi)發(fā)生的復雜的動力學過程，控制著最初的化學成分以及空間的分布。大多數(shù)放射性核素蒸汽在孔穴擴張時存留在孔穴內(nèi)。這是因為在周邊的介質(zhì)內(nèi)的壓縮處于均衡狀態(tài)，這種均衡狀態(tài)是由于流出的震動波和隨后地質(zhì)介質(zhì)回彈到爆炸點，壓縮空氣趨向封閉和封密狀態(tài)，潛在的驅(qū)動壓力從旁路流失的結(jié)果。要注意還有一例外情況，會導致少量的放射性核素蒸汽從洞區(qū)流出，發(fā)生“即時性注入”在冷卻和冷凝過程中，具有較高的沸點的重放射性核素，如241Am和239Pu，首先發(fā)生的冷凝在正在凝聚的熔融玻璃體中變?yōu)橐惑w。沸點較低的放射性核素，如氚（3H）、36CL 、22Na、129I，稍后冷凝，盡管有一些在熔融相中也可以找到，但通常沿著洞壁和洞內(nèi)的碎石表面以及豎井的較低部分進行。理論上放射性區(qū)域總是視為一個以試驗點為中心的球體，從地震井內(nèi)的觀測來看，其半徑在1.5m之間變動。其它的放射性核素，如85Kr、90Kr、137Xe，可在無壓縮的氣體內(nèi)存在，如果環(huán)境允許，還會在體積變化中產(chǎn)生運動�？傮w來說，氣體的置換會促進蒸發(fā)的重新分配，置換作用與洞體坍塌、浮力、分子擴散有關(guān)，在氣體可以進入的、不飽和空隙空間內(nèi)進行。一些放射性核素，90 Sr、 137Cs，都會在熔融區(qū)外面發(fā)現(xiàn)，它們是一些只能短期存在的物質(zhì)如85Kr、137Xe等衍生物的產(chǎn)物。對試驗所產(chǎn)生的放射性核素的總量，通常用試驗的設(shè)計和放射性核素的特征性數(shù)據(jù)進行估計。對熔融玻璃體內(nèi)物質(zhì)的區(qū)分、置換體積、不壓縮的氣體分數(shù)，也可根據(jù)多次實驗所得到的特征數(shù)據(jù)以及元素的熱力學能估算出來。作為實驗產(chǎn)生的函數(shù)，可以用來估算試驗中所產(chǎn)生的熔融玻璃體的總量。Olsen（1993）建議，每千噸的試驗場地可以產(chǎn)生約700噸的熔融玻璃體。放射性核是如何在熔融玻璃體內(nèi)進行冷凝的，以及冷凝后在巖塊和回流的地下水中化學狀態(tài)，人們知之甚少。已經(jīng)知道熔融體相是混合了氣泡和大塊玻璃體的各向異性的角礫石，通常內(nèi)部混合物有落下來的碎石，這些碎石的物化性能和放射性核素的含量是不同的。大部分玻璃體保留了母體巖塊的化學組成。在碎石內(nèi)，當蒸汽冷凝或地下水回流到洞里時，冷凝的放射性核素會從空隙中溶入回流的水。它們會根據(jù)當?shù)氐牡乩憝h(huán)境，形成液體核素，也可能根據(jù)地下水的速度返回并接近不飽和區(qū)，從洞內(nèi)或豎井區(qū)移出。對一些放射性核素來說，盡管已經(jīng)對鉆孔內(nèi)的水樣進行了測定，但是仍需要對它們真實的含水量以體積交換的空間分布作出更為精確的評價。

　　三、影響放射性核素遷移的因素

　　1．模擬分析的原始條件

　　嚴格地講，放射性核素在試驗中的相對移動，在試驗一爆炸時就發(fā)生了，或稱為“零時間”，這是因為它們的蒸汽在洞內(nèi)和變換體積時分布和冷凝所造成的。然而，放射性核素在地下水中的遷移似乎應(yīng)發(fā)生在“零時間”幾天或幾個月后，當?shù)叵滤�回流到洞和豎井內(nèi)之后才更合乎邏輯，且由爆炸所引起的、復雜的動力學變化在這個時間已經(jīng)結(jié)束。假定放射性核素的數(shù)量可以預算出來，則“原始”狀態(tài)可以假定為熔融玻璃體內(nèi)各組分平均分配，洞周邊發(fā)生置換的體積為理想球形。這種假定方法對熔融玻璃體和置換容積的尺寸的估計值是有效的，放射性核素在這些區(qū)域內(nèi)的含量的變化在計算過程中不屬于重要的參數(shù)。另外。Guell（1999）注意到，在這種方法中，不冷凝的放射性核素的初始分布大體上是近似的。放射性核素從這種“原始”狀態(tài)進行釋放，受下列因素的影響：地下水流動及傳輸過程、不同溫度、熔融玻璃體的分解、與物種、吸附作用或沉淀反應(yīng)相關(guān)的地球化學性質(zhì)。這些觀點將在下面進行討論。

　　2．地下水的流動

　　相對于試驗的前提條件，地下水在洞和豎井內(nèi)的流動可能會因為巖層滲透性的變化而變化，滲透性的變化可能會發(fā)生在坍塌的豎井內(nèi)，也可能發(fā)生在與洞體和豎井相鄰的新鮮的介質(zhì)上。在坍塌的豎井內(nèi)，這些變化與坍塌材料的類型及其填入洞內(nèi)的途徑有關(guān)。較硬的巖塊一般會裂成較大的碎塊，這種大型碎塊在一起空隙大，滲透性強。相對試驗前，這樣的條件適于加強地下水在這些區(qū)域的流動。在淤積系統(tǒng)內(nèi)，坍塌的材料更多地“跌落”于自然界中，導致相同的更低的滲透性和空隙體積。在一次實驗中，坍塌現(xiàn)象總會伴隨著失敗，從而導致更大范圍的當?shù)氐叵滤�流的變化�?/p>

　　在鄰近洞體和豎井的原始介質(zhì)中，可能會發(fā)生兩種類型的滲透性變化。在洞體邊緣和底部周圍的區(qū)域內(nèi)，在“壓碎區(qū)”的上方會形成一個剪切斷裂增加的區(qū)域，該區(qū)的滲透性和空隙增加。在這些區(qū)域之上，滲透性可能會增加，但是會隨著距離半徑的增加而迅速減少�？傊�，作者對環(huán)境的研究已不再局限于對隧道和地上鑿洞等雜亂區(qū)域的觀測，也不再局限于對“豎井”上表面的氣體滲透性的測試。

　　除了對少量的熔融玻璃體片斷進行實驗室測定，人們對原位熔融玻璃體區(qū)內(nèi)的滲透性和空隙知道的并不多。這些區(qū)域呈現(xiàn)明顯的不均勻性和潛在的斷裂，并擁有一定程度的裂隙滲透性。相反，熔融玻璃體的分散會形成變化的物質(zhì)，這些物質(zhì)充滿裂隙的空間，減少可滲透性。

　　3．熱力學影響

　　爆炸后核試驗所產(chǎn)生的殘留熱量，當?shù)叵滤�回流到豎井系統(tǒng)之后，會再存留幾年的時間。試驗熱量的存在會改變周圍的地下水的流動，減少或增加縱向的、受浮力驅(qū)動的流動，熱值超過天然地熱。更高的溫度會增加放射性核素從熔融玻璃體中的釋放速度。流過這些地區(qū)的地下水的流動速度和導熱系數(shù)受控于試驗熱量的流失。因為熱的傳導速度相對較慢，熱量存留在系統(tǒng)中的時間長度可用來計算地下水在熱量區(qū)的整體流動速度，通過推理，還能得出該地區(qū)的滲透性。該事實已被Maxwell和其助手（2000），在內(nèi)華達試驗場進行的CHESHIRE實驗中開發(fā)，用于推斷熔融玻璃體、洞體、豎井以及原位的火山巖的滲透性。CHESHIRE核試驗模擬了一系列的溫度曲線，該曲線用斜孔試驗中所收集的3種溫度錄井資料進行校準。這些錄井資料數(shù)據(jù)表明殘留的熱量最初集中在熔融的玻璃體內(nèi)，火山巖內(nèi)熱量僅比熔融玻璃體稍高。模擬實驗表明殘余的熱量在試驗50年后才能散盡。

　　四、結(jié) 論

　　評估放射性核素從地下核試驗釋放到地下水的速度是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。附近區(qū)域的淤積層表明：洞體、豎井和熔融玻璃體都是性能優(yōu)異的放射源，其放射性會持續(xù)幾百年、幾千年甚至更長時間�？刂品派湫院怂剡M入地下水的速度，這一重要過程包括熔融玻璃體的溶解、與吸附活性礦物質(zhì)有關(guān)的化學抑制的影響。洗提對活性礦物質(zhì)在系統(tǒng)中的含量和分布以及熔融玻璃體的溶解速度是非常敏感的。對大型區(qū)域模型中這些因素應(yīng)該理解透徹，準確定位、模擬。證明流線型方法是研究這種課題的一種非常有用的、靈活的技術(shù)。它可將較高的溶解三維活性物傳輸難題分解為大量的，但卻易于處理的一維活性傳輸問題，再將其結(jié)果組合為三維的結(jié)果。結(jié)果由計算機用最短的時間組合起來，可以更迅速地來解決問題的各個方面。對一維結(jié)果的初步分析，是快速作出特殊敏感性問題和設(shè)計問題的基準，也可在流線型試驗進行之前，用來證明和解釋特殊的傳輸和反應(yīng)行為。通過熔融的玻璃體樣品和模擬火山巖的玻璃體，來測定活性玻璃體的表面面積，以及礦物性質(zhì)和淤積層不同成分，這些都剛剛起步。作者認為數(shù)據(jù)收集方面的努力更能確定原位放射性核素的濃度、可以更好地確定吸附性和膠質(zhì)的傳輸性能。這一領(lǐng)域的數(shù)據(jù)對更好地了解系統(tǒng)中物理、化學過程，校正和確定預定的模式，都有著重要的作用。

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