高放廢物地質處置進展和安全評價研究*

段先哲 王燦州 王駒 凌輝 周志超 唐振平 馬艾陽 牛蘇娟

(1.南華大學資源環境與安全工程學院 湖南衡陽 421001; 2. 稀有金屬礦產開發與廢物地質處置技術湖南省重點實驗室 湖南衡陽 421001; 3.中核集團核工業北京地質研究院 北京 100029)

0 引言

隨著世界核能技術的發展，有核國家將核能用于國防和能源領域，核電站越建越多，產生的核廢料也持續增加。目前全世界正在運行的核電站大約有400多座，每年預計將產生1萬多噸的重金屬乏燃料，只有不足1/3的乏燃料接受了循環處理，其余的則會放置在中間儲存設施中[1-4]。目前全世界儲存的乏燃料約有20萬tHM。

我國是全球第三大核電生產國，核電在建規模世界第一。按照目前的發展情況，預計到2020年底，我國累計核電發電量能夠突破一萬億千瓦大關，并且仍具有上升的空間，此時全部核電站相應的乏燃料累計總量將會達到14萬tHM[2]。

這些乏燃料后處理所產生的高放廢物含有幾十種放射性核素，其放射性強度從形成到衰變再到正常水平往往需要經歷數百萬年之久。許多核素的生物毒性都很大，屬于極毒或者高毒類，同時具有高釋熱率(如90Sr和137Cs)。此外，高放廢物會因自身的強輻射場作用產生C2H4、CH4、CO、H2等燃爆性氣體[5-6]。高放廢物的這些復雜特性，導致其最終處置費用高、難度極大且面臨一系列工程、技術及社會科學方面的挑戰。挑戰的最大難點在于如何確保在高放廢物與生物圈之間進行安全可靠、長期有效的隔離，且隔離時間長達數萬年甚至更長時間。《放射性廢物安全管理條例》規定：高放廢物地質處置相對應的安全隔離期不得少于1萬年。

本文介紹了國內外高放廢物處置研究進展，綜述了我國高放廢物地質處置庫的若干關鍵科學問題，深入論述了高放廢物地質處置的安全評價。

1 高放廢物處置進展

1.1 地質處置

從上個世紀中葉開始，世界各國對于高放廢物的最終處置問題開展了廣泛的研究，提出了多種處置方案，包括“深地質處置”“深巖層熔融處置”“深海溝處置”“深鉆孔處置”“嬗變處置”“海島處置”“冰川處置”“太空處置”等(表1)[1-9]。但從法規、風險、費用等方面考慮，這些方案中除了“深地質處置”，其他方案實施的可行性很小[1-8]。

表1 高放廢物處置方案[1-9]

經過長期多方面的驗證，“深地質處置”是目前最安全可靠、技術上非?？尚械奶幹梅桨浮Ｔ摲桨妇哂懈綦x性能好、穩定時間長等優點。經過六十多年的發展，該方案已被大多數國家所接受，已有大量人力財力物力投入該方案的系統研究。

1.2 高放廢物處置庫

高放廢物地質處置系統組成結構較為復雜，主要包括生物圈、處置庫和地質環境，三者之間相互影響，相互關聯?；趯嶓w標準可分為兩大類：一類是地質屏障，另一類是工程屏障。地質屏障主要是處置圍巖，工程屏障常見的組成形式包括不同類型的高放廢物、不同規格容量的廢物罐容器以及差異化的緩沖回填材料。地質屏障與工程屏障是阻止放射性物質向生物圈遷移的主要屏障，而處置庫圍巖中的地下水，則是放射性核素遷移的載體。

需要指出的是，高放廢物地質處置庫被層層包裹，高放廢物的放射性、毒性以及發熱量可以得到大幅度削弱；并且由于建造在深部穩定的地質體中，氣候變化、地面作用和人類活動的負面影響也可以得到有效減小[5,10]。

處置庫地址的選擇是高放廢物地質處置過程中不可或缺的重要步驟，通過對大區域的調查，排除不合適的場址，并對剩余場址進行篩查和對比，優選出候選場址。需要考慮的因素比較多，一般包括：地質條件、建造條件、環境保護、人類活動、未來變化、土地使用、交通運輸、人文經濟。選址一般分為4個階段：選址規劃、區域調查、特性評價、場址確認。我國選址工作開始于1985年，1985—1999年進行了規劃選址，比較了新疆、內蒙古、西北(甘肅)、華東、華南、西南等6個預選區，重點研究了西北(甘肅)預選區。經過調研對比后，最終篩選出了11個適宜地段。1999年IAEA技術官員派遣了專家來華對甘肅北山的場址進行考察，多數專家表示：甘肅北山可能是最佳的處置庫場址[1]。2011年，核工業北京地質研究院向有關部門提出了高放廢物處置庫場址區域篩選的建議，在搜集的預選區的工程地質、水文地質、社會條件、經濟條件等資料基礎上，經過系統對比選擇甘肅北山作為選址最終結果。該區域地處戈壁氣候干燥、地形平緩、地殼穩定、花崗巖體完整、人口稀少、交通便利、地形地質條件適宜，具有良好的巖體工程施工條件[1-2]。2019年5月6日，關于北山高放廢物地質處置的地下實驗室工程建設立項書被正式批復，從此我國高放廢物地質處置正式進入地下實驗室階段[9]。

目前已經基本確定高放廢物采用玻璃固化，以甘肅北山為建設場址，將花崗巖作為處置庫的主要巖型，以內蒙古為例，其建設應用的古高廟子膨潤土礦床具有一定的代表性，能夠滿足中國高放廢物處置庫材料選用的實際需求，并且確定了添加劑的配方[7,9]，處置庫設計的核心概念就是保障安全，把永久處置設定為目標，由巷道、豎井、硐室組成。

2 安全評價研究

2.1 安全評價研究近況

高放廢物的妥善處置，不僅是有核國家正在積極探索的高新課題之一，也是民眾關注的焦點，更關乎到我國核工業的可持續發展。長期安全是高放廢物地質處置的基本核心，因此安全評價是高放廢物處置研究的重點和難點，并且刻不容緩。安全評價是高放廢物地質處置的重要一環，也是給公眾建立信心的關鍵。對于篩選出來的場址以及將要在場址中建造的處置庫，為保證處置庫的安全可靠性，應該根據實際情況進行相關安全評價，包括對處置庫正常和不同情景下引起的輻射危害進行評價[11]。安全評價的開展使得決策者、監督者、公眾都了解場址的安全性，再綜合多方面因素進行場址決策。監管機構能夠基于安全評審報告做出何時轉入下一階段的指示。此外，安全評價的階段性發展對上階段的不足和下階段的重點有指導性作用，可以指引今后的發展方向[12]。

地質處置庫工程的開展較為復雜，其具體的安全評價和其他類型的工程系統有所不同，主要表現在所考慮的時間范圍跨度較長，波及空間范圍相對較大，導致實際的安全評價存在較大難度[13]。處置系統較為復雜，包含了玻璃固化體、緩沖材料、廢物包裝容器、圍巖擾動帶、處置圍巖、區域環境等多個子系統，同時各個系統之間還有耦合作用。如果分別對其中的子系統實施安全特性研究和場址建模(地質模型、物理模型、數值模型等)，需要考慮的時間跨度達上百萬年，還要進行極為復雜的計算，對現有的科學水平和計算能力都是一個巨大挑戰。并且到現在為止國內還未建成可以投入使用的處置庫，相應的安全評價也還沒有發布[13-18]。

我國關于地質處理的安全評價起步較晚，缺少深入的研究，基礎相對薄弱，需要加強發展。目前開展落實的地質處置安全評價工作涉及場址篩選、場區地質條件的調研等，現有的成果還是很有價值的[16,19-21]，例如預選區的水文地質研究和環境評測、緩沖回填材料的研究、安全評價的類比研究、核素的遷移、玻璃固化體的長期穩定性研究、處置庫圍巖的吸附形狀和深度研究。但不可否認的是，我國的地質處置安全評價技術與發達國家依舊存在較大差距。

21世紀，我國調研了許多國家的性能評價報告，包括美國、瑞典、芬蘭、日本等，同時開發設計了多個不同功能的安全評價程序。國際原子能機構(IAEA)通過相關合作也贈送了可開展完整的從遠、近場的模擬仿真評估軟件FracMan、Ecolego、Melode、Goldsim、Porflow、Amber等[17-26]。核工業北京地質研究院利用安全評價軟件，以甘肅北山場址為評價對象，完成了標準清單的建立(FEPs)，對系統性能進行了景象開發和景象分析[17]；輻射防護研究院的熊小偉等利用Goldsim軟件，以日本H12報告和處置圍巖生物圈為背景，模擬了核素釋放和遷移的過程，估算了處置庫關閉后的放射劑量，結果表明：遠、近場的輻射劑量在正常范圍之內；陳明利用Goldsim軟件進行了處置庫的系統分析，其計算結果表明：正常情況下處置庫關閉100萬年后沒有放射性核素釋放到生物圈。這些結果初步表明甘肅北山新場址是安全的[27]。

目前階段的主要任務是通過評價模型對特定景象精心試算從而建立起框架體系，重視安全評價方法開發與應用，掌握基本的方法和技術；初步篩選出關鍵部位和特性參數，為以后的處置庫工程設計、安全分析、環境評價奠定基礎[26-30]；基于實際的監管要求完成科學合理的安全評價，明確詳細具體的特征屬性，優化數據庫，完善安全評價的穩定性、追溯性，模擬分析處置庫今后的演變趨勢，特別是處置庫圍巖內核素隨地下水遷移這塊，做出詳細的安全評價報告。

2.2 安全評價基本步驟

對于準備建造的處置庫，其安全評價必不可少，其內容主要涉及多種不同環境下的安全評價和危害分析。

其具體步驟(圖1)是：先明確評價系統對象，開展前期資料收集、事故案例統計與現場勘查，然后進行危險識別和情景分析，在識別的時候要注意不能遺漏潛在的危險和即將生成的危險[30]。接下來在設定情景中分析危險，著重對其性質、種類、范圍、條件、概率進行分析，并估算頻率，構建未來可能出現的各種場景。對已經查明的危險通過建模或者計算來進行量化，單元劃分選取合適的方法，為評價提供準確數據。最后，將分析結果與有關指標進行比對，以評價系統安全性。同時給出技術措施、修改建議或者操作指南等，并且對各個方案進行判斷，從而找出改善情形的最佳方案。需要注意的是，安全評價開展過程中應該對不同影響因素進行全方位的分析與評估，并且評價的模型也需要驗證和對比。

圖1 安全評價基本步驟

2.3 結果與指標

對于高放廢物地質處置系統來講，其安全評價相關指標體系的建立必須滿足簡便、直觀、穩定可靠等要求，目前尚未對安全評價指標進行科學合理的規定[9,12]。為了表明其安全性，世界各地開展了其表征方面的研究。國際上引入了安全功能指標和安全性能指標的概念，基于輻射劑量(Dose)或風險因子(Risky)對系統評價的安全性進行衡量。其中歐洲習慣用安全功能指標評價，對系統的性能和放射性進行評價，結果以輻射值或者其它數值表示；美國習慣用安全性能指標評價，對系統的性能和影響進行評價，結果以工程的穩定性表示，但是兩者本質上并沒有區別。這類指標概念簡單明了并且已經被大多數人們接受。

現今我國還沒有具體規定高放廢物地質處理安全評價指標，但是綜合國外的經驗已經給出了具體建議(表2)[30]。我國地下實驗室即將開工建設，開展安全評價研究具有一定的緊迫性，以為今后的處置庫安全評價打下良好的基礎。

表2 我國高放廢物地質處置安全評價指標的建議

3 對高放廢物地質處置研究的展望和建議

當前，國家對高放廢物的地質處置問題高度重視，健全完善了很多相關法律法規。此外，經費的大量投入、參與單位的增加、國際合作的加強、研究的深入，都使得我國高放廢物地質處置的綜合實力逐漸提高并且取得突破進展。

然而，目前還存在一些重大技術難題。例如，在工程建設方面，處置庫開挖技術、工程開挖損傷研究、廢物罐可回取研究等都是一些重大攻關項目；在地質方面，場址區域水文特征和地質參數的研究、地下水的同位素特征、放射性核素隨地下水的遷移、深部地質體的地球物理測量、深部地質環境和條件隨時間的變化、深部巖石受到外部因素(中高溫、高壓、地殼應力、還原條件、水流作用和化學作用)影響的地球化學行為等方面的研究仍然是難點；在安全評價研究方面，裂隙介質水文地質模擬、大規模流場模擬、關鍵塊體識別和建模、初步試算能力、地質處置系統綜合性能的分析與評估、計算機模擬仿真分析等方面的研究仍亟待加強。為了增加安全評價結果的可信度和說服力，需加大相關軟件的研發力度以增強自身競爭力；此外，應重視鑒定場址范圍內的構造活動，識別導水的構造和裂隙的分布，以減少對評價結果造成的影響和干擾[31]。安全評價的研究是高放廢物地質處置研究規劃中非常重要的一環，而且貫穿整個規劃始終，應該從長期發展的角度來考量。即使這樣，未來仍會有許多不確定性，這無疑會給安全評價的研究帶來挑戰。隨著工程建設的技術升級，可能會要求重新進行評價，因此還需具備應變的能力。此外，研究人員需要有大局觀，不僅要考慮系統安全，還要兼顧廢物的優化和最小成本管理，因為處置高放廢物的費用很高。這就要求安全評價人員在保證系統工程質量的情況下尋求最佳的經濟方案。同時需要強調的是，我們不能只考慮系統總體，而忽視子系統的安全評價，兩者應該兼顧[23,31]。

總體上，針對我國高放廢物地質處置開展的工作建議分為：

(1)收集國外資料、引進國外軟件并加以消化，編制符合我國國情的安全評價要求細則，邀請國外專家聯合評審。

(2)以現今各行業的安全評價內容成果為基礎，盡快建立我國系統評價模型，利用評價分析的結果來細化和完善我國的處置庫建設工程。對于安全評價的關鍵技術，如模型搭建、評價指標確立要加快進度。應以核素遷移為主線，以實體模擬實驗為基礎運行，并且要通過試驗深入驗證開展相關工作。與此同時要做好相關宣傳工作，獲得公眾的信任與支持。