高放廢物地質(zhì)處置庫安全評價(jià)景象研究進(jìn)展

張自祿

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

高放廢物地質(zhì)處置庫安全評價(jià)景象研究進(jìn)展

張自祿

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

總結(jié)了高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中的景象構(gòu)建方法，介紹了目前國際上通用的系統(tǒng)景象構(gòu)建過程，包括與處置庫長期安全相關(guān)的特征、事件和過程的識別、篩選和分析以及景象生成和篩選等，對影響圖和交互矩陣兩種因素分析工具、由上而下和由下而上兩種景象生成方法做了敘述，最后對國際上部分放射性廢物地質(zhì)處置庫安全評價(jià)中的景象進(jìn)行了歸納，并對當(dāng)前安全評價(jià)中景象構(gòu)建的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了評述。

放射性廢物；地質(zhì)處置；安全評價(jià)；景象；綜述

景象就是“假想的或假設(shè)的一系列工況和（或）事件，在分析或評價(jià)中最常用來代表未來可能發(fā)生的、擬作為模式的工況和（或）事件，例如核設(shè)施可能發(fā)生的事故，或處置庫及其周圍環(huán)境今后可能發(fā)生的演變”［1］。景象為安全評價(jià)的開展提供了背景和框架，關(guān)系著模型的開發(fā)和數(shù)據(jù)的收集，為處置庫開發(fā)部門、法規(guī)制定部門以及在處置庫安全中的利益相關(guān)者提供了一個(gè)重要的交流平臺，是建立安全評價(jià)信心的一個(gè)重要內(nèi)容，是對評價(jià)進(jìn)行獨(dú)立核查時(shí)的一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)［2］。構(gòu)建景象的目的是［3］:識別和記錄所有與處置庫性能或安全有關(guān)的特征、事件和過程（Feature，Event，Process，簡稱FEPs），將所選FEPs組織成與安全評價(jià)相符的景象，為景象的篩選提供可追溯的技術(shù)論據(jù)，為定量分析中景象的確定奠定基礎(chǔ)，并為FEPs的排除提供文件證據(jù)，為模型開發(fā)和數(shù)據(jù)收集提供指導(dǎo)。

1 景象構(gòu)建方法

放射性廢物處置庫安全評價(jià)景象的開發(fā)方法可分為4種，即，人為判斷法、故障樹/事件樹法、模擬法和系統(tǒng)法［4-8］。人為判斷法又稱專家判斷法，完全依賴于人的主觀認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建景象，是一種非正式的景象生成方法。事件樹分析是一種推理分析技術(shù)，通過將各工程體系組成部分的故障事件進(jìn)行耦合導(dǎo)出整體系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障，采用這種方法需要處理的耦合數(shù)目一般很大，很難進(jìn)行處理［6］。模擬法是一種與上述方法完全不同的景象生成方法，需要構(gòu)建計(jì)算機(jī)模型模擬環(huán)境的演變，這種方法最大的缺點(diǎn)是很難獲取大量輸入?yún)?shù)可靠的概率分布函數(shù)。

一般而言，對影響處置庫安全、放射性核素遷移以及人員所受輻射照射危害的FEPs進(jìn)行識別和分析是景象構(gòu)建中必須首先研究的內(nèi)容，許多國家在開展處置庫安全評價(jià)時(shí)都建立了具體項(xiàng)目的FEPs清單［9-11］，歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織的核能機(jī)構(gòu)（OECD/NEA）在這些清單的基礎(chǔ)上總結(jié)得到了NEA FEP國際數(shù)據(jù)庫［12-13］，進(jìn)而促使越來越多的國家開始采用基于FEPs的系統(tǒng)方法來構(gòu)建景象［14］。這種系統(tǒng)方法一般包括FEPs的識別和篩選、FEPs的分析、由FEPs構(gòu)建景象、景象篩選和確定4個(gè)步驟［7-8］。

1.1 FEP的識別和篩選

在開展具體項(xiàng)目FEPs的識別和篩選時(shí)，一般先選擇國際FEPs數(shù)據(jù)庫或其他項(xiàng)目FEPs數(shù)據(jù)庫中的FEPs列表作為參考基礎(chǔ)，然后根據(jù)具體項(xiàng)目的評價(jià)背景和處置場、處置庫等的具體特征去除某些FEPs，保留需要考慮的FEPs，最終建立具體項(xiàng)目的FEPs清單。

FEPs篩選時(shí)一般遵循如下標(biāo)準(zhǔn)［15］:1）法規(guī)強(qiáng)制要求的必須考慮；2）與處置庫和場址實(shí)際情況無關(guān)或與評價(jià)目的和目標(biāo)等背景無關(guān)的不予考慮；3）發(fā)生概率很低的一般不予考慮；4）后果嚴(yán)重、程度很小的一般不予考慮。

1.2 FEPs的分析

對篩選后的FEPs進(jìn)行分析，目的是了解這些FEPs的歸屬，盡可能保障FEPs清單的全面性，更深入地認(rèn)識這些FEPs在處置庫體系演變過程中的作用和相互關(guān)系，為下一步由FEPs生成景象奠定基礎(chǔ)。為了增強(qiáng)由FEPs生成景象的透明度，盡量減少主觀評判的隨意性，人們越來越重視FEPs的結(jié)構(gòu)化、可視化處理和FEPs及其相互關(guān)系重要性的評估等，其中影響圖和交互矩陣是FEPs分析最常用的兩種工具。

1.2.1 影響圖

影響圖是由方框和帶方向箭頭的連線組成的圖，方框代表FEPs，方框間的連線代表FEPs之間的關(guān)系，箭頭方向表示作用方向。

以瑞典［17］為SFL3-5概念處置庫安全評價(jià)所建立的景象開發(fā)方法為例，景象開發(fā)的步驟是:首先構(gòu)建基本影響圖，然后由基本影響圖開發(fā)景象影響圖，最后生成景象和計(jì)算案例。基本影響圖的構(gòu)建方法是:匯編所有與研究體系相關(guān)的FEPs后，在影響圖中用方框加FEPs名稱表示，然后判斷每個(gè)FEPs與其他FEPs是否存在相互作用，用方向箭頭表示作用方向，用惟一的代碼表示作用名稱。每兩個(gè)FEPs間有可能存在多個(gè)相互作用。為了使影響圖更詳細(xì)，可以用文件記錄每個(gè)FEPs的定義及其與其他FEPs相互作用的具體含義。參考景象影響圖的構(gòu)建方法是:首先假定處置庫能夠保持預(yù)期的性能和符合預(yù)期的將來演變，過程系統(tǒng)的邊界條件不變，然后分析基本影響圖中的FEPs及其相互作用，去除與參考景象假設(shè)條件不符的FEPs和相互作用，得到參考景象影響圖，接著分析影響圖中每一個(gè)FEPs及其相互作用，評估相互作用的重要程度，并用不同的數(shù)字代替重要程度的大小，將低于某一標(biāo)準(zhǔn)的所有相互作用去除，即得到簡化的參考景象影響圖。其他景象影響圖的構(gòu)建方法是:在未簡化的參考景象影響圖的基礎(chǔ)上，首先選擇一個(gè)外部FEPs或外部FEPs組合，判斷處置庫體系中能夠受這些外部FEPs影響的內(nèi)部FEPs，然后按照與分析參考景象影響圖類似的方法分析后續(xù)受到影響的FEPs、路線和重要程度。

影響圖工具可以詳細(xì)描述各FEPs之間的相互關(guān)系，但FEPs數(shù)目一般都比較多，這就使影響圖顯得很復(fù)雜，不易理解，對其核查和評估往往也很費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

1.2.2 交互矩陣

交互矩陣是巖石工程系統(tǒng)方法中的一個(gè)基本工具，其目的是確保所有問題均能被考慮。在交互矩陣中，將主變量或參數(shù)列于主對角線，將主變量之間的相互作用列于次對角線。采用交互矩陣可以對處置庫評價(jià)中所有的FEPs進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，也可以對FEPs的完備性進(jìn)行檢查。構(gòu)建交互矩陣就是將FEPs分別填充到矩陣中的對應(yīng)位置，一般將FEPs分成兩大類，一類歸屬于主對角線元素，這些元素通常代表物理屏障，如廢物包、容器、緩沖層和回填層、工程擾動區(qū)、主巖、地下水、溶質(zhì)和生物圈等；另一類歸屬于相互作用元素，這些元素代表主對角線元素之間的相互作用。瑞典的Eng等［17］在利用矩陣進(jìn)行分析時(shí)，將FEPs分成了六類，分別屬于變量Pi、變異變量Pi′、相互作用Iij、變異相互作用Iij′、矩陣內(nèi)的路徑M、整個(gè)矩陣的演變M′。將所有FEPs填入矩陣后，分析未填充方框?qū)?yīng)對角元素的相互作用，觀察是否有遺漏FEPs的可能，根據(jù)分析結(jié)果有時(shí)需要生成新的FEPs。交互矩陣構(gòu)建完成后，在某些假設(shè)下分析所有相互作用的重要程度，去除某一級別以下的相互作用，獲得簡化矩陣。最后，通過觀察矩陣，尋找核素由廢物體向生物圈遷移的可能的序列，形成核素遷移的景象。

影響圖和交互矩陣兩種方法均是將與處置庫長期安全相關(guān)的FEPs進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理的工具，與系統(tǒng)相關(guān)的FEPs既可以從已有的FEPs清單中選取，必要時(shí)也可以生成新的FEPs。兩者的差別在于結(jié)構(gòu)化方式的不同，交互矩陣法將體系的主變量置于主對角線上，其他FEPs分類后根據(jù)與變量的關(guān)系置于矩陣的不同位置上。在影響圖方法中，體系被分成不同區(qū)域，不同的區(qū)域代表不同的屏障部分［18］。在構(gòu)建階段，交互矩陣法似乎更直觀，也更容易被模擬。另外，兩種方法都需要主觀評估相互作用的重要性。

1.3 景象生成

由FEPs生成景象，大體可分為由下而上法和由上而下法兩種方法［6-8］，前者是通過FEPs的組合直接構(gòu)建景象，后者是先確定各屏障的安全功能再通過分析影響這些安全功能的FEPs或FEPs組合來構(gòu)建景象。

1.3.1 由下而上的系統(tǒng)方法

美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室［19］將影響地質(zhì)處置庫安全的FEPs分為泄漏相關(guān)和遷移相關(guān)兩大類，經(jīng)分析篩選后確定了4個(gè)與泄漏（R）相關(guān)和4個(gè)與遷移（T）相關(guān)的現(xiàn)象，然后采用樹形結(jié)構(gòu)圖將這些R和T現(xiàn)象進(jìn)行組合，最后對所獲得的組合景象進(jìn)行分析篩選，去除概率低的景象，最終獲得了12個(gè)需要開展后果分析的景象。

Galson等［20］采用了類似的方法對美國WIPP處置庫安全評價(jià)中的景象進(jìn)行了構(gòu)建。將篩選后的FEPs分屬于未擾動性能（UP）和擾動性能（DP）兩類，擾動性能考慮了采礦（M）和深井鉆井（E，根據(jù)井深的不同稱為E1和E2）兩種情況，將以上FEPs進(jìn)行組合形成未擾動性能景象（UP）、采礦景象（M）、深井鉆井景象（E1、E2和E1E2）、采礦和鉆井組合景象（ME1、ME2和ME1E2）。

瑞典［16］在對KBS-3概念處置庫進(jìn)行安全評價(jià)景象的開發(fā)時(shí)，通過將內(nèi)部過程體系FEPs與一個(gè)或多個(gè)外部FEPs進(jìn)行組合生成景象，安全評價(jià)中考慮了基本景象、容器缺陷、氣候變化、地質(zhì)/地震、人類活動等情況。

1.3.2 由上而下的系統(tǒng)方法

芬蘭［21］、比利時(shí)［22］和瑞士［3］等國在構(gòu)建處置庫安全評價(jià)景象時(shí)采用了由上而下的方法。首先，確定處置庫體系各組成部分的安全功能（如物理限制、遲滯、分散、稀釋和隔離等），并盡可能給出表征這些功能的參數(shù)取值范圍；其次，判斷能夠?qū)σ粋€(gè)或多個(gè)安全功能產(chǎn)生不利影響的FEPs（如腐蝕、降解、容器缺陷、密封缺陷和裂隙等），這些FEPs為景象觸發(fā)FEPs；再次，考慮處置庫體系預(yù)期演變中可能發(fā)生的不確定事件或過程（如屏障性能下降加快等）的影響；最后，由處置庫體系演變和最終導(dǎo)致容器破裂的變化過程形成核素泄漏和遷移景象的基礎(chǔ)。

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1.4 景象的篩選和確定

根據(jù)具體的評價(jià)背景和需求，分析后去除不必要的、可能性低的、本質(zhì)上重復(fù)的、影響程度可以被包容于其他景象中的景象，最終確定需要進(jìn)行后果分析的景象。

2 部分高放廢物地質(zhì)處置庫安全評價(jià)中的景象

表1對部分高放廢物地質(zhì)處置庫安全評價(jià)中開發(fā)的景象進(jìn)行了歸納。

3 結(jié)論

當(dāng)前，世界各國在開展處置庫安全評價(jià)時(shí)越來越重視景象的構(gòu)建，因?yàn)榫跋鬄樵u價(jià)和模擬提供了前提條件，是評價(jià)結(jié)論和模擬結(jié)果合理和可靠的保障，也是增強(qiáng)評價(jià)結(jié)論說服力的必要內(nèi)容。各國科研工作者和組織通過不斷努力，逐漸形成了一種系統(tǒng)的景象開發(fā)方法，這種方法主要包括:影響處置庫長期安全的FEPs的識別和篩選、FEPs的篩選和分析、由FEPs進(jìn)行景象構(gòu)建、景象篩選。國際FEPs數(shù)據(jù)庫為具體項(xiàng)目FEPs的識別和篩選提供了模板，影響圖和交互矩陣是目前進(jìn)行FEPs深入分析的常用工具，也為進(jìn)一步的景象開發(fā)提供了便利。當(dāng)然，景象開發(fā)過程中的許多內(nèi)容仍需要依賴主觀的判斷，特別是在由FEPs構(gòu)建景象時(shí)，目前還沒有統(tǒng)一的方法，這導(dǎo)致了景象開發(fā)結(jié)果具有一定的主觀性，針對這種缺陷的改進(jìn)方法是對每一步驟用文件進(jìn)行記錄并歸檔以及保證過程的可核查性和透明。

目前針對處置庫安全評價(jià)開發(fā)的景象主要包括兩類，一類是參考景象（或稱為基本景象），即假定處置庫環(huán)境按照預(yù)期的演變模式進(jìn)行變化或保持不變，處置庫屏障功能符合預(yù)期要求，并按照預(yù)期的模式緩慢變化；另一類為擾動景象（或稱為破壞景象），即假定發(fā)生了破壞性的事件或者未知因素導(dǎo)致某一個(gè)或多個(gè)屏障功能發(fā)生顯著偏離預(yù)期目標(biāo)退化的情況。在破壞景象中，一般需要考慮的景象包括鉆探、鉆井等人類活動情況以及容器或緩沖層等屏障存在缺陷或功能失效等情況。

與整個(gè)安全評價(jià)一樣，景象構(gòu)建是一個(gè)需要反復(fù)迭代的過程，隨著人們認(rèn)識程度的深入，或者人們所關(guān)注對象的變化，都需要對景象進(jìn)行重新核查和更新，以滿足新的需求或增強(qiáng)評價(jià)的信任度。

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Progress on scenario analysis in safety assessment for high-level radiowaste geological repository

ZHANG Zilu

（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an，710024，China）

Scenario construction methodologies in safety assessment on geological repository of highlevel radiowaste were summarized.The commonly-used systematic procedure was described，which includes identification，screening and analysis on feature，event，and process influencing long-term safety of repository，formation and screening of scenarios.Factor analysis tools both influence diagram and interactive matrix were introduced，with scenario formation methods of the bottom-up and the top-down method techniques.Scenarios developed in safety assessment of some repositories were collated.Status and development on scenario construction were reviewed.

radiowaste；geological repository；safety assessment；scenario；review

TL942

A

1672-0636（2016）01-0055-08

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．010

2015-06-02；

2015-07-13

張自祿（1970—），男，河南滑縣人，副研究員，主要從事輻射安全評價(jià)技術(shù)研究。E-mail:zhangzilu@nint.ac.cn