科研动态 | 我院康明亮教授团队在高放废物地质处置领域取得高水平研究成果

发布人：中法核发布日期：2025-11-18

我院康明亮教授团队在高水平放射性废物（高放废物）地质处置领域取得重要突破，研究工作相继发表于国际知名权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》（自然指数期刊，中科院一区）和《Chemical Geology》（JCR一区，中科院二区）。

79Se（半衰期3.77×105年）是高放废物地质处置中备受关注的关键核素之一。其溶解性和迁移性与其赋存价态密切相关。高价态的亚硒酸（Se(IV)）和硒酸（Se(VI)）溶解度大，在地质环境中主要以阴离子形式存在，迁移性强；而零价硒（Se(0)）不溶于水，–I和–II价硒则易与金属离子形成难溶沉淀。因此，还原沉淀是阻滞79Se迁移的最有效手段。

甘肃北山花岗岩地区和内蒙古塔木素黏土岩地区是我国高放废物地质处置库的重点研究区域。课题组前期研究发现，北山花岗岩和塔木素黏土岩富含Fe2+-矿物（如氟铁云母、黄铁矿等），可将溶解态Se(IV)还原沉淀为Se(0)或FeSe2（Applied Geochemistry, 2022, 146, 105447）。然而，与Se(IV)不同，更高价态的Se(VI)具有很强的化学惰性，常规条件下难以发生反应。黄铁矿（FeS2）是地球上含量最多的硫化物矿物，广泛存在于高放废物地质处置库的围岩和缓冲回填材料中。热力学上，在pH > 1.0的广泛pH条件下，黄铁矿（FeS2）可将溶解态的Se(IV)和Se(VI)还原沉淀为Se(0)或FeSe2。但在常规实验条件下，黄铁矿与Se(VI)并无明显反应。

结合高放废物处置库近场存在电离辐射和高温的真实环境，我院康明亮教授团队的最新研究发现：

（1）由于北山花岗岩和塔木素黏土岩富含Fe2+-矿物以及天然有机质，可有效消耗水辐射分解产生的氧化性自由基•OH，同时产生的还原性eaq-和·H（特别是eaq-）则可将Se(VI)还原为Se(0)，中间产物为Se(IV)。此外，在γ辐射下，天然有机物可能被激发到三重态，进一步促进Se(VI)的还原。相关成果以“Effective reduction of refractory selenate by natural granite and claystone under gamma irradiation”为题发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》（2025, 410, 160-173）。这是在高放废物地质处置领域针对我国北山花岗岩和塔木素黏土岩特定场址的首篇发表于该期刊的研究性论文，具有重要意义。论文第一作者为佘景晔博士生，通讯作者为康明亮教授。

图1. 同步辐射XANES-EXAFS分析北山花岗岩和塔木素黏土岩表面Se的赋存形态

（2）在γ辐照条件下，地下水辐射分解产生的氧化性自由基•OH易在黄铁矿表面被消耗，同时产生的还原性eaq-和·H（特别是eaq-）则能与Se(VI)反应，亦即γ辐照能改变黄铁矿与Se(VI)的反应路径，显著增强黄铁矿对Se(VI)的还原沉淀能力，将Se(VI)还原至Se0，中间产物为Se(IV)。相关成果以“Gamma-irradiation-induced reduction of aqueous Se(VI) by natural pyrite”为题发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》（2025, 391, 237-247）。佘景晔博士生和覃聃文助理教授为论文共同第一作者，通讯作者为康明亮教授。

图2. γ辐照条件下黄铁矿对Se(VI)的还原沉淀作用机制

（3）高放废物体释热产生的高温能够显著加快黄铁矿对Se(VI)的还原进程。该反应过程可用准零级动力学方程来描述，反应速率随着pH降低和温度升高而加快，最终产物为Se(0)和少量Se-S络合物。实验测得黄铁矿对Se(VI)还原的活化能高于40 kJ/mol，表明该过程主要受限于电子转移等表面化学反应步骤，而非扩散或物理吸附控制。较高的活化能说明该反应需克服较大的能量壁垒，这也解释了Se(VI)在常温条件下难与黄铁矿发生反应的原因。相关成果以“Temperature effects on the reduction of Se(VI) by natural pyrite”为题发表于《Chemical Geology》（2025, 682, 122747）。论文第一作者为已毕业的金武剑博士，通讯作者为康明亮教授。

图3. 高温条件下黄铁矿与Se(VI)的氧化还原作用机制

上述系列高水平研究成果揭示了：1）我国北山花岗岩与塔木素黏土岩在辐照条件下对79Se(VI)的还原沉淀机制，证实79Se在两处场址条件均以难溶形态存在，为处置库安全评价提供了重要参考，具有重要的科学和实践意义；2）黄铁矿在辐照和高温条件下对79Se(VI)的还原固定机制，为将黄铁矿应用于处置库的屏障设计提供了重要参考，具有重要的科学意义。

上述研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金项目、国家原子能机构高放废物地质处置创新中心基金等项目的联合资助，并获得了欧洲同步辐射光源（ESRF）的Rossendorf线站（BM20, ROBL）和上海光源（SSRF）的BL13SSW线站的测试支持。