論我國高放廢物地質處置地下實驗室發展戰略

王　駒,蘇　銳,陳　亮,宗自華

(核工業北京地質研究院中核高放廢物地質處置評價技術重點實驗室,北京 100029)

隨著我國核工業的迅速發展,高放廢物安全處置已經成為影響核能可持續發展、環境保護和子孫后代福祉的戰略性課題[1]。從1985年開始,我國有關科研機構和企業在該領域開展了大量科研工作,取得了顯著的科研成果[2-6]。經過近30年的研究探索,我國高放廢物地質處置研發工作已經從場址區域篩選逐漸過渡到地下實驗室工程建設階段。

地下實驗室是指建造于一定深度、用于開發和驗證高放廢物地質處置技術、在一定情況下用于評價場址適宜性的地下研究設施。地下實驗室建成后,它將成為處置庫研究開發、驗證實驗、設備考驗的中心。地下實驗室是開發高放廢物地質處置技術的重要設施,也是處置庫開發過程中不可或缺的一個重要環節。國外已建成20多個高放廢物地下實驗室,對推進高放廢物地質處置工作起到了重要的推動作用[7-10]。

地下實驗室建設項目已經列入國家及有關部門、行業的規劃。建設我國地下實驗室涉及若干戰略問題,如地下實驗室的功能、定位、技術路線圖、場址比選等,解決這些問題,在這些問題上最大程度地達成共識,對加快推進地下實驗室工程建設工作,實現2020年左右建成我國地下實驗室的目標,具有十分重要的意義。

1　地下實驗室的定位

1.1　國外地下實驗室的定位

(1)國外地下實驗室總體情況

目前,國外相繼建設了20多座地下實驗室(見表1),從事相關研究和開發工作。第一座普通地下實驗室建于1965年,位于德國的阿瑟鹽礦 (Asse);第一座專門為開發高放廢物處置技術建設的地下實驗室是1984年加拿大在花崗巖中建設的白殼地下實驗室 (Whiteshell URL);第一座特定場址地下實驗室是德國康納德實驗室(Konrad實驗室),由康納德鐵礦山改造而成。

表1　國外主要地下實驗室基本情況Table1　Basic information of major foreign URLs

續表

著名的地下實驗室包括瑞典的?sp?地下實驗室、芬蘭的ONKALO地下實驗室 (見圖1)、法國的Meuse/Haute Marne地下實驗室等[8-10]。

圖1　芬蘭乏燃料地質處置地下實驗室主體結構圖Fig.1　Main structure of the under ground research laboratory for gelolgical disposal of spent fuel in Finland

這些地下實驗室的建設極大地推動了高放廢物地質處置技術的開發和地質處置庫的建設。從地下實驗室實驗中獲得的各類參數為處置庫的工程設計、工程屏障的設計及處置系統安全評價提供了技術基礎,地下實驗室的運行經驗為未來處置庫的運行提供了參考。更為重要的是,公眾通過參觀地下實驗室,逐步樹立了對地質處置安全的信心。例如,在瑞典,每年有10 000多人參觀?sp?地下實驗室;在芬蘭,每年也有4 000多人參觀ONKALO地下實驗室。調查發現,地下實驗室建成后,公眾對高放廢物處置工程的支持率有明顯增大。芬蘭的處置庫場址于2001年獲得了批準,瑞典的處置庫場址也于2009年得到確認。

(2)國外地下實驗室發展情況

隨著不斷深入探索和實踐,地下實驗室的功能和定位不盡相同。大體上以20世紀九十年代初為分界點,分為兩個階段:早期的地下實驗室主要利用已有的地下工程和設施改造而成,以方法學研究為主;后期的地下實驗室以專門選址建造功能齊全、設施完備的新型地下實驗室為主,研究問題應用性更強。

在20世紀六十至八十年代,地質處置技術剛剛開始研發,地質處置的概念剛剛提出、工程屏障材料處于摸索篩選階段、場址評價缺乏成熟方法、安全評價還缺乏數據及方法,對整個地質處置系統及其過程的認識非常初步。在這種情況下,國外利用一些已有的地下工程和設施,如地下廢舊礦山、公路或鐵路隧道、水電站隧道等,建設了非常簡易的地下實驗室。如瑞士的GTS和Mont Terri地下實驗室、瑞典的Stripa地下實驗室、德國的Asse地下實驗室、日本的釜石地下實驗室等。

自20世紀九十年代以來,隨著地質處置概念的逐漸清晰,對處置庫場址深部真實環境了解的需求越來越迫切、對地質處置工程施工和作業方法的需求越來越迫切,而有些國家的處置庫選址工作也取得了重大進展。在這種背景和需求下,功能單一、設施簡易的地下實驗室已不能滿足要求,于是出現了以下類型的地下實驗室。

1)功能齊全、設施完備的 “普通地下實驗室”(如加拿大的白殼地下實驗室,日本的瑞浪、幌延地下實驗室等)。

2)建設在處置庫場址上的 “特定場址地下實驗室”(如美國的尤卡山ESF、WIPP,芬蘭的ONKALO,德國的Gorleben等)。

3)建設在特定區域的地下實驗室 (如法國的Meuse/Haute Mar ne地下實驗室等)。

(3)國外地下實驗室基本定位

第一類為普通地下實驗室,其定位非常清晰,即作為處置庫的預演,在模擬處置庫的真實環境中,全面開展各種實驗,以掌握技術、獲取數據,獲得工程經驗和運行經驗,為處置庫的建設提供全面的經驗和數據,也為未來處置庫的審批提供依據。

第二類為特定場址地下實驗室,其定位則進了一步。由于這類地下實驗室是建造在已選定的處置庫場址上,它的功能包括評價場址、開發技術、集成和驗證處置技術、確認處置庫場址、驗證廢物處置工藝和方案的可行性等,并有可能逐步演變成真實的處置庫的一部分。從特定場址地下實驗室獲得的數據可以直接用于處置庫的設計和處置系統安全評價,從而為國家的監管機構批準場址和批準建設處置庫提供依據。

1.2　我國地下實驗室的總體定位

我國建設高放廢物地質處置地下實驗室,有以下幾種考慮,一是建設普通地下實驗室;二是選擇好處置庫場址,建造特定場址地下實驗室;三是根據我國實際情況,建設具有中國特色的地下實驗室。

在我國目前情況下,第一、第二種選擇均不是十分理想。

(1)建造普通地下實驗室

只能是重復國外的一系列實驗,實驗所獲數據對工程設計、安全評價只起參考作用,即使建了普通地下實驗室,將來在處置庫場址上還要再建 “特定場址地下實驗室”。

(2)建設特定場址地下實驗室

其優點是,可以深入評價場址,所獲數據可直接為工程設計和安全評價服務,在其中可以開展示范處置,該地下實驗室還可以擴大為真實的處置庫。然而,其最大缺點在于,這類地下實驗室的建設取決于處置庫場址是否已經獲得審批,若處置庫場址不定,則無法建設。另外,處置庫場址審批需要復雜的程序和較長時間,若等待處置庫場址獲得審批,則需要相當長的時間才能建設地下實驗室。而急需在地下實驗室中開展的實驗則無法開展。

借鑒國外地下實驗室發展經驗,結合我國高放廢物地質處置研究進展和實際需要,提出我國應當建設第三種地下實驗室,即 “特定場區地下實驗室”[11]。

所謂特定場區地下實驗室,是指建設在未來潛在處置庫場址附近區域的、或具有與潛在處置庫場址相似特征的;既具有方法學研究性質、又具有場址評價性質的地下實驗室;既起著普通地下實驗室的作用,又可起潛在的 “特定場址地下實驗室”的作用。

特定場區地下實驗室的建設,既取決于是否已經確定處置庫場址,又不完全取決于處置庫場址。前者是指,只要處置庫場址已經大體確定,則可確定地下實驗室場址。后者的意思是,即使處置庫場址沒有確定,只要處置庫的預選區已經大體確定,則可以選擇地下實驗室的場址。只要地下實驗室場址的地質、水文地質、工程地質和深部地質環境等條件具有代表性,且與未來潛在的處置庫場址相似,則可以確定地下實驗室場址。由于這種地下實驗室只是一個特定的研究設施,與未來處置庫沒有必然的聯系,這樣場址的審批相對就會簡單和容易。

特定場區地下實驗室還具有一個潛在的巨大作用,即通過在這種地下實驗室中開展的實驗和場址評價工作,認為該場址適宜作為處置庫場址后,有可能使處置庫選址的進程大大加快。

因此,我國首座高放廢物地質處置地下實驗室的總體定位可以是建設在特定場區 (處置庫重點預選區)有代表性的巖石之中、位于500 m深度左右、功能較為完備且具有擴展功能的,為高放廢物地質處置研究開發服務和場址評價服務的、具有國際先進水平的科研設施和平臺。

2　開發我國地下實驗室的技術路線

2.1　國外開發地下實驗室的技術路線

(1)法國模式

在高放廢物處置庫的重點預選區選擇場址,建設地下實驗室,即墨茲/下馬恩 (Meuse/Haute Marne)地下實驗室。建成的地下實驗室為掌握技術、評價場址特性起到了決定性的作用,為法國確定高放廢物處置庫場址奠定了基礎,且未來的處置庫就位于地下實驗室附近 (5 k m以遠)。

(2)瑞典模式

在有代表性的巖石 (花崗巖)之中建設地下實驗室,即著名的?sp?地下實驗室,在其中獲得的大部分數據,可以為未來的處置庫選址和建設服務。

(3)芬蘭和美國模式

先選擇出高放廢物處置庫的場址,再建設地下實驗室,如芬蘭的ONKALO地下實驗室和美國的尤卡山ESF地下實驗室。這些地下實驗室建成之后,可以擴建成處置庫。表面上看,芬蘭和美國省略了建設普通地下實驗室這一步驟,但實際上,芬蘭從頭至尾參與了瑞典Aspo地下實驗室的研究開發,而美國建設的WIPP地下實驗室,已為在處置庫場址上建設地下實驗室積累了豐富經驗。

(4)瑞士和日本模式

先不管高放廢物處置庫建設在何處、也不管高放廢物處置庫建設在何種巖性之中,在花崗巖、黏土巖兩種巖性中均建設了地下實驗室。如瑞士的Grimsel地下實驗室、Mont Terri地下實驗室、日本的瑞浪地下實驗室、幌延地下實驗室。

2.2　開發我國地下實驗室的技術路線

參考國外地下實驗室開發的4種技術路線,開發我國地下實驗室也有相應的4種選擇。按照芬蘭和美國的模式建設地下實驗室,其前提是需要先確定處置庫的場址,這一目標在中國近期顯然不可能實現。按照瑞士和日本模式建設地下實驗室,建設的僅僅是與處置庫場址沒有任何地理空間關系的普通地下實驗室,顯然不適應中國高放廢物地質處置目前的形勢和需求。

通過分析,我們認為前兩種模式的結合應當是較好的選擇,既參考法國模式,又參考瑞典模式,開展地下實驗室建設。即在我國目前高放廢物處置庫花崗巖場址篩選工作的基礎上,從甘肅北山、新疆、內蒙古3個重點預選區中,通過綜合比選,確定首個地下實驗室場址。在具有代表性的花崗巖中建設我國首個高放廢物地質處置“特定場區地下實驗室”。

3　地下實驗室的功能和初步試驗規劃

3.1　國外地下實驗室的主要功能

高放廢物地質處置地下實驗室對高放廢物地質處置工作起到了重要的推動作用。經濟合作與發展組織核能機構總結分析了國外地下實驗室建設運行情況,地下實驗室在高放廢物地質處置庫的開發過程中具有如下10大功能。

1)了解深部地質環境和地應力狀況,獲取深部巖石和水樣品,為其他基礎研究提供數據和實驗樣品。

2)開展1∶1工程尺度驗證實驗,在真實的深部地質環境中考驗工程屏障 (如廢物體、廢物罐、回填材料等)的長期性能。

3)開發處置庫施工、建造、回填和封閉技術,完善概念設計,優化工程設計方案,全面掌握處置技術,估算建庫的各種費用。

4)開發特定的場址評價技術及相應的儀器設備,并驗證其可靠性。

5)開展現場核素遷移實驗,了解地質介質中核素遷移規律。

6)通過現場實驗,驗證修改安全評價模型。

7)為處置庫安全評價、環境影響評價提供各種現場數據。

8)進行示范處置,為未來實施真正的處置作業提供經驗。

9)培訓技術和管理人員。

10)提高公眾對高放廢物處置安全的信心,爭取公眾支持。

以上這些功能,并不是在國外的每一個地下實驗室中均具備。有的實驗室僅具備部分功能。

3.2　我國地下實驗室的基本功能

在分析國外地下實驗室功能基礎上,結合我國的具體情況,提出我國地下實驗室應當具備以下6大基本功能。

1)評價場址深部環境 (地質、水文、地應力、巖石力學特性等)。

2)開展1∶1工程尺度驗證實驗,在真實的深部地質環境中考驗工程屏障 (如廢物體、廢物罐、回填材料等)的長期性能。

3)開發處置庫施工、建造、回填和封閉技術以及相應的設備,完善概念設計,優化工程設計方案,全面掌握處置技術,估算建庫的各種費用。

4)為未來的處置庫安全評價、環境影響評價提供各種現場數據 (包括核素遷移數據、核素水化學性能參數等)。

5)為公眾參觀地下實驗室、了解地質處置技術的安全性能、提高對高放廢物安全處置的信心提供窗口。

6)為國際合作提供地下實驗巷道和學術交流場所。為開展地下現場實驗提供深部實驗巷道和水、電、通風、通訊、安全和應急等后勤保障,為科研人員提供住宿、飲食等后勤保障。

3.3　計劃開展的試驗

根據研究開發的需要,需要在現場開展的試驗分為如下3類。

1)現場獲取相關數據的試驗,包括深部環境地質條件參數測量,圍巖物理和化學特征參數測量,圍巖巖石力學特征和巖體穩定性參數測量,地下水流動和物質 (包括核素、膠體、氣體、腐殖酸等)運移參數測量等,為處置庫場址性能評價和安全評價提供技術參數。

2)相關技術開發和驗證試驗,包括處置庫選址和評價技術開發與驗證、安全評價技術開發與驗證、處置庫建造技術開發與驗證、處置庫運行技術開發與驗證、現場長期監測技術開發與驗證等。

3)原型處置或示范處置試驗。開展1∶1工程尺度的現場實驗,在真實的深部地質環境中考驗工程屏障,如放射性廢物體、廢物罐及緩沖回填材料等的性能,為未來實施真正的處置作業提供經驗。

4　地下實驗室場址與處置庫場址的關系

根據前述我國首座地下實驗室的定位和開發我國地下實驗室的技術路線,我國的地下實驗室應當建設在處置庫重點預選區中有代表性的巖性中。這一表述,清楚地描述了我國的地下實驗室場址和高放廢物地質處置庫場址的關系:我國地下實驗室場址是一個與處置庫場址有著特定聯系的場址。這種特定聯系,表現在以下幾方面。

1)地下實驗室場址是在全國高放廢物處置庫重點預選區中篩選出來的,而不是憑空選定的。

2)盡管地下實驗室場址是從處置庫重點預選區中選出來的,但它不是處置庫場址。也就是說,在目前階段,僅把該地下實驗室作為一個科研實驗設施和實驗平臺看待,暫時與處置庫場址沒有必然聯系。

3)一旦地下實驗室的場址評價和研究開發工作,證明在該場址建設處置庫是適宜的,則這個地下實驗室場址,或其附近的場址,可以轉變成處置庫場址。

5　我國地下實驗室工程的若干進展

自2014年開始,開展了地下實驗室選址和場址評價研究、建造技術研究和地下實驗室的工程設計研究。目前,已經篩選出甘肅北山預選區的新場為我國首個地下實驗室場址,在該場址上已經完成近40口鉆孔的施工,完成了對該場址的特性評價。在甘肅北山建設了 “北山坑探設施”,研發了地下實驗室建造技術。以甘肅北山新場為地下實驗室場址,完成了 “中國北山地下實驗室”的工程設計 (見圖2)。

圖2　中國北山高放廢物地質處置地下實驗室示意圖Fig.2　Schematic of the Beishan URL for deep geological disposal of high-level radioactive waste in China

該地下實驗室為一個位于地下560 m深的研發平臺,主要由地下設施和地面設施組成。地下設施包括3條豎井 (1條人員豎井、2條通風井)、一條長約7 k m直徑為7 m的斜坡道、聯絡通道、通風排水等輔助系統、-240 m試驗巷道、-560 m試驗巷道等,其中,主要的現場實驗在-560 m的試驗巷道中開展。地面設施包括科研及展示中心、運行控制中心、樣品存儲及分析中心、設備中心、生活區、消防供電等輔助配套設施。

6　結論

1)我國首座地下實驗室的總體定位是:建設在特定場區 (處置庫重點預選區)有代表性的巖石之中、位于500 m深度左右、功能較為完備且具有擴展功能的,為高放廢物地質處置研究開發服務和場址評價服務的、具有國際先進水平的科研設施和平臺。其性質為 “特定場區型地下實驗室”。

2)建設我國首個地下實驗室的技術路線是:在我國目前高放廢物處置庫花崗巖場址篩選工作的基礎上,從甘肅北山、新疆、內蒙古3個重點預選區中,通過綜合比選,確定首個地下實驗室場址。在具有代表性的花崗巖中建設地下實驗室。

3)我國地下實驗室應當具備評價場址深部環境,開展1∶1工程尺度驗證實驗,開發處置庫建造、運行、回填和封閉技術,全面掌握處置技術,為地下現場實驗提供深部實驗巷道、水、電、通風、通訊,安全和應急等后勤保障,為公眾參觀地下實驗室提供窗口等6大基本功能。

4)我國地下實驗室的場址篩選、建造技術和工程設計已經取得顯著進展,有望在2024年左右建成我國首座高放廢物地質處置地下實驗室。

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