中國高放廢物地質處置21世紀進展

王 駒

(核工業(yè)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)

高放廢物安全處置是核能可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的重大問題，早在20世紀80年代就受到了我國科學家的關注。核工業(yè)北京地質研究院徐國慶等在1985年啟動了一個高放廢物地質處置研究課題。從此，1985年作為我國高放廢物地質處置研究開發(fā)的起點載入史冊。1985—2000年的15年間，我國開展了國外高放廢物地質處置的跟蹤調研、我國高放廢物地質處置規(guī)劃草案研究、處置庫場址區(qū)域篩選、北京地下實驗室場址篩選、工程屏障研究、核素遷移研究和安全評價調研等。

進入21世紀，我國高放廢物地質處置研究開發(fā)工作進入了一個穩(wěn)步發(fā)展的全新階段，表現在高放廢物地質處置研究逐漸受到國家重視并被列入國家規(guī)劃，國家投資有較大增長，技術實力顯著增強。在這一階段的后期，高放廢物地質處置科研從選址、場址評價逐漸進入為地下實驗室建設做準備的階段。

本文概述21世紀近20年來我國高放廢物地質處置在各方面取得的進展，并對未來發(fā)展進行展望。

1 21世紀近20年我國高放廢物地質處置研究開發(fā)的歷程

21世紀近20年我國高放廢物地質處置研究開發(fā)可概括為3個階段：1) 第1階段(1999—2005年)，高放廢物地質處置研究實質性啟動；2) 第2階段(2006—2012年)，處置庫預選區(qū)篩選階段；3) 第3階段(2013年至今)，地下實驗室準備階段。

1.1 第1階段(1999—2005年)

這一階段以1999年原國防科學技術工業(yè)委員會批復核工業(yè)北京地質研究院“核設施退役和三廢治理”專項課題“我國高放廢物地質處置前期工程——甘肅北山預選區(qū)深部地質環(huán)境初步研究”為起點，以2005年原國防科學技術工業(yè)委員會召開高放廢物地質處置研討會為階段結束標志。這一階段的特點是研究經費開始增長，研究手段有所改善，研究隊伍逐漸擴大和穩(wěn)定，研究課題(尤其是選址和場址評價課題)開始實質性啟動，成果質量明顯提高。

1.2 第2階段(2006—2012年)

這一階段以原國防科學技術工業(yè)委員會會同原國家環(huán)?？偩趾涂茖W技術部于2006年2月聯(lián)合發(fā)布《高放廢物地質處置研究開發(fā)規(guī)劃指南》為起始標志。這一期間，原國防科學技術工業(yè)委員會批復了“十一五”20多個單位申報的17個高放廢物地質處置研究開發(fā)項目。除批復的甘肅北山選址和場址評價項目外，原國防科學技術工業(yè)委員會還啟動了在新疆雅滿蘇、天湖、阿奇山和內蒙古塔木素、諾日公的選址和場址評價項目。

1.3 第3階段(2013年至今)

這一階段以2013年國家國防科工局批復第1個與地下實驗室有關的項目——“高放廢物地質處置地下實驗室安全技術評價研究”為標志。此后，2015年國家國防科工局批復“高放廢物地質處置地下實驗室前期工程科研”項目，開始了地下實驗室的選址和工程設計。

最具里程碑意義的是，2019年5月6日國家國防科工局批復中國北山高放廢物地質處置地下實驗室工程建設立項建議書，標志著我國高放廢物地質處置正式進入地下實驗室階段。

2 21世紀高放廢物地質處置主要進展

2.1 國家法律法規(guī)和研究開發(fā)規(guī)劃

1) 國家法律法規(guī)

我國于2003年頒布《放射性污染防治法》[1]，其第四十三條規(guī)定“高水平放射性固體廢物實行集中的深地質處置”。這是我國在法律上第1次明確規(guī)定高放廢物安全處置的要求。

2011年頒布了新的《放射性廢物管理條例》。該條例對放射性廢物處置提出了一系列的具體要求。第二十三條規(guī)定“高水平放射性固體廢物和α放射性固體廢物深地質處置設施關閉后應滿足1萬年以上的安全隔離要求”。

2018年開始施行《中華人民共和國核安全法》[2]，其第三章明確提出了放射性廢物安全要求。其第四十條規(guī)定，放射性廢物應實行分類處置。高水平放射性廢物實行集中深地質處置，由國務院指定的單位專營。

2) 高放廢物深地質處置規(guī)劃

2006年2月原國防科學技術工業(yè)委員會、原國家環(huán)?？偩趾涂茖W技術部聯(lián)合發(fā)布《高放廢物地質處置研究開發(fā)規(guī)劃指南》[3]。該指南提出，我國高放廢物地質處置的總目標是：在我國領土內選擇地質穩(wěn)定、社會經濟環(huán)境適宜的場址，在21世紀中葉建成高放廢物地質處置庫，通過工程屏障和地質屏障的包容、阻滯，保障國土環(huán)境和公眾健康長時間內不會受到高放廢物的不可接受的危害。

2007年10月，國務院批準了《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》，其中提出我國應在2020年前建成我國高放廢物地質處置地下實驗室。

2008年，由潘自強、錢七虎院士主導的中國工程院“高放廢物地質處置戰(zhàn)略規(guī)劃”咨詢課題，提出我國高放廢物地質處置研究開發(fā)和處置庫工程建設可分為3個階段[4]。

(1) 實驗室研究開發(fā)和處置庫選址階段(2006—2020年)，其目標是完成各學科領域實驗室研究開發(fā)任務，初步選出處置庫場址并完成初步場址評價；確定地下實驗室場址，完成地下實驗室的可行性研究，并建成地下實驗室。

(2) 地下現場試驗階段(2021—2040年)，其目標是完成地下實驗室現場試驗，完成場址詳細評價，并最終確認處置庫場址；掌握處置庫建造技術，完成處置庫設計和可行性研究，并開始建造處置庫。

(3) 處置庫建設階段(2041年—21世紀中葉)，其目標是2050年前后建成處置庫，開展示范處置，并開始接收高放廢物。

2011年3月11日，日本福島第一核電站因受大地震和海嘯的影響，發(fā)生嚴重核事故。這一事故對全世界的核能事業(yè)產生了重大影響。我國政府在重新審視核能發(fā)展規(guī)劃和核安全之后，于2012年10月公布了《核安全和放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》，并調整了核電發(fā)展規(guī)劃，公布了調整后的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》，這兩個規(guī)劃中均再次明確提出了2020年建成我國高放廢物地質處置地下實驗室的遠景目標。

3) 有關技術標準

2013年國家核安全局公布了《高水平放射性廢物地質處置設施選址》(核安全導則HAD 401/06-2013)[5]。該導則提出了高放廢物地質處置設施的選址目標、階段劃分、選址準則和所需資料的要求。這一導則的頒布，對我國高放廢物處置庫的選址起到了巨大的推動作用和指導作用。

2.2 選址和場址評價

選址和場址評價是21世紀我國高放廢物地質處置研究工作的重點。主要開展了處置庫場址的區(qū)域篩選和對比，甘肅北山5個預選地段(舊井、新場-向陽山、野馬泉、沙棗園和算井子地段)、新疆阿奇山、雅滿蘇和天湖地段、內蒙古塔木素和諾日公地段的選址和場址評價，高放廢物處置庫候選圍巖的對比研究，高放廢物處置庫場址評價方法研究，黏土巖的初步調研，場址適宜性評價等[6-15]。

1) 高放廢物處置庫場址區(qū)域篩選

1985—1986年，我國篩選出6大高放廢物處置庫預選區(qū)，即華東預選區(qū)、華南預選區(qū)、西北預選區(qū)(甘肅北山預選區(qū))、西南預選區(qū)、內蒙古預選區(qū)和新疆預選區(qū)，之后開展了初步的踏勘工作，但一直未對這些預選區(qū)進行系統(tǒng)對比。在重新收集研究各大預選區(qū)資料的基礎上，核工業(yè)北京地質研究院于2011年提交了題為《中國高放廢物處置庫場址區(qū)域篩選》的成果報告，該報告全面比較了六大預選區(qū)的社會經濟和自然條件，經專家評議、定量打分和定性評價以及綜合分析，提出了我國高放廢物處置庫預選區(qū)的排序，即西北預選區(qū)(甘肅北山)、新疆預選區(qū)、內蒙古預選區(qū)、華南預選區(qū)、華東預選區(qū)、西南預選區(qū)。2011年7月22日，國家國防科工局和國家環(huán)保部聯(lián)合召開專家評審會，對該報告進行評審，會議確定“在目前的情況下，西北預選區(qū)(甘肅北山)可作為我國高放廢物處置庫首選預選區(qū)”。該區(qū)具有人口稀少、交通方便、土地無耕種價值、動植物資源和礦產資源貧乏等適宜的社會經濟條件和地處戈壁、地形平緩、地殼穩(wěn)定、氣候干燥、地表水系不發(fā)育、地下水貧乏、花崗巖體完整、巖體工程質量優(yōu)良和工程地質條件適宜等有利條件。

2) 高放廢物處置庫預選區(qū)預選地段篩選

我國高放廢物處置庫場址篩選，原先考慮的技術路線是先通過預選區(qū)的篩選和對比，篩選出首選預選區(qū)，然后對預選區(qū)內的預選地段進行比選，最后，對預選地段內的場址進行詳細的場址評價和比選，從而推薦出處置庫的最終場址。在編制“十二五”規(guī)劃時，國家國防科工局提出新的設想，即在原先區(qū)域篩選的基礎上，在全國篩選出12個左右的預選地段，然后對各預選地段進行平行性場址評價，最終篩選出3個左右符合要求的處置庫場址，最后由國家政府確定1個處置庫最終場址。根據這一設想，核工業(yè)北京地質研究院在甘肅北山預選區(qū)已有的舊井、新場-向陽山和野馬泉3個地段的基礎上，又篩選出沙棗園和算井子地段。此外，還在新疆篩選出雅滿蘇巖體、天湖巖體、阿奇山1號巖體和2號巖體、卡拉麥里巖體，在內蒙古阿拉善篩選出宗乃山-沙拉扎山巖體。中國科學院地質與地球物理研究所篩選出內蒙古阿拉善的塔木素和諾日公地段。另外，核工業(yè)北京地質研究院和東華理工大學也開始了盆地黏土巖的篩選工作。

3) 甘肅北山的選址和場址評價

2000年以來，在甘肅北山開展了真正意義上的系統(tǒng)性的選址和場址評價，重點是對舊井、新場-向陽山、野馬泉、沙棗園、算井子等5個地段開展場址評價。

“高放廢物地質處置甘肅北山深部地質環(huán)境初步研究”(簡稱北山一期)于1999年獲得批準立項。開展了甘肅北山舊井地段地質、水文地質、地球物理調查，完成我國高放廢物地質處置第1批鉆孔(北山1、2號鉆孔)。尤其是北山1號鉆孔被稱為“我國高放廢物地質處置第一鉆”。獲得了舊井地段1∶50 000地質圖、水文地質圖、地球物理成果、北山1、2號鉆孔全孔巖心各種數據、光學鉆孔電視圖像、鉆孔雷達、聲波鉆孔電視數據、地應力數據；初步建立鉆孔施工方法、水文地質實驗方法、鉆孔電視方法、鉆孔雷達方法、地應力測量方法、水文地球化學測井方法等。

“高放廢物地質處置甘肅北山選址和場址評價研究”(北山二期)，于2002—2004年實施，開展甘肅北山野馬泉地段研究，完成北山3、4號鉆孔。

“甘肅北山預選區(qū)選址和場址評價研究”(北山三期)，于2005—2007年實施，主要開展區(qū)域地質演化和區(qū)域地質環(huán)境研究，進行甘肅北山區(qū)域地質和水文特征研究，新場-向陽山地段地質、水文地質、地球物理和放射性本底調查以及局部巖塊的1∶2 000地質填圖。

“甘肅北山預選區(qū)選址和場址評價及地質處置技術研究”(北山四期)，2008—2010年實施，由核工業(yè)北京地質研究院牽頭負責、中國原子能科學研究院、中國核電工程有限公司、中國輻射防護研究院參與實施。在新場巖體和芨芨槽巖體完成北山5、6號深鉆孔和7、8、9、10、11、12、13、14號淺鉆孔。

“高放廢物地質處置甘肅北山預選區(qū)新場-向陽山地段特性評價研究”(北山五期)，于2011—2013年實施，在甘肅北山新場巖體和芨芨槽巖體開展場址評價研究，施工了北山15、16、17、18、19號深鉆孔(各600 m深)，全面獲得了深部地質環(huán)境的重要數據。尤其是新場的鉆探結果表明，新場巖體完整、巖體質量好、巖體滲透率低、地下水少，是十分具有前景的預選巖體。

2014—2015年，在甘肅北山的沙棗園巖體施工了北山20、21號鉆孔，在算井子施工了北山22、23號鉆孔(北山六期項目內容)。

通過甘肅北山6期項目的研究，基本查清了甘肅北山預選區(qū)舊井、新場-向陽山、野馬泉、沙棗園、算井子5個預選地段的深部地質環(huán)境，發(fā)現了巖體質量極好的新場巖體、算井子巖體和芨芨槽巖體。此外，還首次獲得甘肅北山場址的深部巖石樣品、原狀地下水樣品、深部地質環(huán)境數據和資料，如鉆孔電視圖像、鉆孔雷達圖像和深部巖體滲透率等。尤其是通過引進鉆孔電視、鉆孔雷達、鉆孔水文地球化學測井系統(tǒng)和鉆孔雙栓塞水文地質實驗系統(tǒng)等具有世界先進水平的設備取得了場址評價方法方面的重大突破，從而建立了一套完整的花崗巖場址特性評價方法技術體系和高放廢物處置庫選址準則。其中，以清水為鉆井液的金剛石繩索取芯方法、鉆孔施工后原狀地下水識別方法、多功能地下水樣采集器等獲得了國防發(fā)明專利。

通過與美國INTERA公司合作開展新場巖體處置庫系統(tǒng)性能評價，認為新場巖體作為處置庫場址是十分安全的。這一系列工作，為我國高放廢物處置庫和地下實驗室選址的下一步工作奠定了堅實的基礎。以場址評價工作為基礎，還開展了一系列基礎研究，如甘肅北山斷裂活動性研究、裂隙調查和三維裂隙網絡建模、水-巖反應的地球化學模擬、水文地質數值模擬、巖石力學特性研究、地應力研究、巖體質量評價研究、地學信息庫的建設等。

4) 新疆預選區(qū)的選址和場址評價

2012年起，核工業(yè)北京地質研究院在新疆的阿奇山1號和2號巖體、雅滿蘇巖體、天湖巖體開展了系統(tǒng)的地面地質調查、地球物理測量，并施工了AS01、AS02、AS03和AS04、YM01、YM02、TH01、TH02等8個深鉆孔，獲得了場址的深部巖石樣品和地下水樣品，并評價了場址的適宜性。

5) 內蒙古預選區(qū)的選址和場址評價

中國科學院地質與地球物理研究所2012年開始在內蒙古的塔木素花崗巖體、諾日公花崗巖體開展了地面地質調查和地球物理測量，并施工了4口深鉆孔，獲得了場址的深部巖石樣品和地下水樣品，并評價了場址的適宜性。

6) 黏土巖的初步調研

20世紀90年代就開展了我國高放廢物處置庫場址圍巖類型的篩選，提出我國可作為高放廢物處置庫圍巖的類型有花崗巖、黏土巖、鹽巖和凝灰?guī)r。在綜合考慮到各類巖石的分布和社會經濟條件等的基礎上，優(yōu)先對花崗巖場址進行了研究。進入21世紀，對黏土巖的關注程度上升，因而開展了新一輪的黏土巖場址的調研。核工業(yè)北京地質研究院對我國各大盆地，包括塔里木、準噶爾、二連、東北、松遼、鄂爾多斯、華北、四川、長江口、珠江口、漢江、鄱陽湖、洞庭湖等盆地黏土巖進行了調研，結果表明，我國這些盆地中不同程度地產有石油、天然氣、頁巖氣、煤礦、鈾礦、鹽礦、地下水資源等，要選出地質條件和社會經濟條件適宜的場址尚需開展大量工作。東華理工大學也開展黏土巖調研，提出甘肅省隴東地區(qū)、青海省柴達木盆地西北緣、山東省淄博地區(qū)和巴音戈壁盆地的黏土巖可作為重點預選區(qū)進行進一步的研究。

7) 高放廢物處置庫候選圍巖的爭論

我國在1985年開展高放廢物處置庫場址篩選時，就考慮了4種圍巖，即花崗巖、黏土巖、凝灰?guī)r和巖鹽。由于我國花崗巖分布廣泛，且花崗巖由具有作為處置庫圍巖的各種有利條件，已有瑞典、芬蘭等國選擇花崗巖作為處置庫圍巖，而我國高放廢物處置庫首選預選區(qū)甘肅北山又廣泛分布有花崗巖體，因此，從1990年以來一直針對花崗巖場址開展工作，并取得重要成果。而對黏土巖的工作則很少。針對這一情況，鄭華鈴等建議我國重點研究黏土巖處置庫預選場址，并反對選擇花崗巖作為處置庫圍巖。這引發(fā)了花崗巖與黏土巖之爭。中國工程院“高放廢物地質處置戰(zhàn)略研究”課題對此進行了討論，其主要結論如下。

(1) 世界各國根據不同的地質條件以及不同的社會經濟條件，選擇了花崗巖、黏土巖(泥巖、板巖、塑性黏土)、凝灰?guī)r和巖鹽作為高放廢物地質處置庫的圍巖。對這些圍巖的各種特性進行了室內研究和地下實驗室現場研究，認為各種圍巖均有其優(yōu)缺點，通過增設工程屏障，在這些圍巖中均可建造滿足安全要求的處置庫。各國選擇不同的圍巖取決于各國的地質條件和社會經濟條件。

(2) 花崗巖具有分布范圍廣、巖體規(guī)模大、機械強度高、導熱好、導水率低、溶解度低、地下巷道穩(wěn)定等優(yōu)點，但也具有因存在裂隙并且?guī)r體的隨機裂隙較難評價等缺點。通過增設以膨潤土為緩沖回填材料的工程屏障，可有效彌補花崗巖裂隙的弱點。大量現場實驗和安全評價證明花崗巖可作為高放廢物處置庫的圍巖。

(3) 黏土巖具有巖層延伸穩(wěn)定、導水率極低、巖石具有裂隙自愈合能力、對放射性核素和地下水具有強烈的阻滯作用等優(yōu)點，但也具有層理發(fā)育、導熱性能較差、機械強度低、地下巷道需全程支護、建造難度較大及廢物回取困難等缺點，且黏土巖層上、下具有含水層，黏土巖盆地可能產有煤、石油、天然氣、頁巖氣、地熱、鈾礦等礦產。通過采用地下工程支護、使需處置的廢物充分冷卻等措施，可有效彌補黏土巖的弱點。大量現場實驗和安全評價證明黏土巖可作為高放廢物處置庫的圍巖。

(4) 我國國土遼闊，各種圍巖種類齊全，花崗巖、黏土巖、巖鹽、凝灰?guī)r、玄武巖等均有發(fā)育?？紤]到我國的地質條件等，特別是考慮到我國適于高放廢物處置庫的黏土巖體(大部分為地槽型砂泥巖互層)選擇較困難，我國的高放廢物處置庫圍巖宜重點選擇花崗巖，但也要考慮選擇產狀平緩、厚度較大且穩(wěn)定的黏土巖的可行性，也有必要對黏土巖開展進一步的研究。

這幾點結論是對圍巖類型的客觀總結。此后，盡管還不時有處置庫圍巖類型的爭論，但我國繼續(xù)堅持主攻花崗巖場址的戰(zhàn)略，同時，為與花崗巖對比，“十二五”規(guī)劃啟動了黏土巖場址的篩選工作。

2.3 處置工程技術和工程屏障研究

21世紀對處置庫工程屏障和處置工程技術研究進入了新的階段[9-15]。對內蒙古高廟子膨潤土開展了較系統(tǒng)工作，并開始了對廢物罐材料的篩選和腐蝕行為研究，對玻璃固化體的性能也開展了研究，提出了處置容器的初步方案。在處置工程技術方面，開展了處置庫和地下實驗室的調研和概念設計工作，還對甘肅北山花崗巖的力學特性、地下硐室穩(wěn)定性等開展了研究。

1) 膨潤土特性研究

我國高放廢物地質處置擬采用膨潤土作為緩沖/回填材料。1994—1996年期間開展了膨潤土礦床篩選工作，初步選出內蒙古高廟子膨潤土礦床作為中國高放廢物處置庫緩沖/回填材料的首選礦床。該礦床儲量達1.27億t，絕大部分為優(yōu)質膨潤土，其蒙脫石含量可達63.77%～80.92%。進入21世紀以來，緩沖材料方面的研究集中在對高廟子鈉基膨潤土的研究。

核工業(yè)北京地質研究院劉月妙團隊、同濟大學葉為民團隊、蘭州大學張虎元團隊、后勤工程大學陳正漢團隊、中國輻射防護研究院楊仲田團隊等對內蒙古高廟子膨潤土的礦物學特性、微觀結構特征、熱傳導特性、膨脹特性、力學特性、飽和滲透特性和非飽和滲透特性、土水特性、壓實特性、多場耦合特性、添加劑、老化特性、膨潤土-水反應、膨潤土-金屬材料反應、數值模擬等開展了研究。

期間還建立了一系列實驗臺架開展了膨潤土研究，其中最重要的是核工業(yè)北京地質研究院于2010年建成的我國首臺緩沖回填材料熱-水-力-化學耦合條件下特性研究大型實驗臺架(China-Mock-Up)。該臺架的設計是以中國高放廢物地質處置概念模型為基礎，內徑900 mm、內高2 230 mm。3個功率為1 000 W電加熱元件組成的加熱器外徑為300 mm、高度為1 600 mm，溫度控制為室溫～90 ℃。緩沖材料由高廟子鈉基膨潤土GMZ001壓制成型，鈉基膨潤土塊壓實干密度為1 710 kg/m3，壓實膨潤土與實驗腔體間充填粉碎后的高密度膨潤土顆粒，實驗腔體內膨潤土的平均總密度為1 600 kg/m3。為連續(xù)監(jiān)測緩沖材料的溫度、濕度和壓力等性能，共安裝了溫度、濕度、土應力等100多個傳感器。該臺架主要由8部分組成：壓實膨潤土塊體、不銹鋼實驗腔體、加熱及溫控系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、傳感器、氣體測量和收集系統(tǒng)、實時數據采集系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)。這是我國目前尺寸最大的緩沖材料熱-水-力-化學耦合實驗臺架，用以開展1∶2尺寸的模擬高放廢物地質處置庫條件下緩沖材料長期性能實驗研究。通過該裝置的研制和建設，建立了緩沖材料實驗臺架的安裝和實驗方法，依據實測數據和理論分析，揭示了熱-水-力-化學耦合作用條件下膨潤土中的相對濕度是在加熱器的熱效應和外部供水的濕效應共同作用下發(fā)生變化的，壓實膨潤土中應力的變化主要是由于膨潤土遇水膨脹和加熱器的熱效應引起的，實驗驗證了模擬高放廢物地質處置室內加熱器(廢物罐)運行初期的位移過程，為緩沖材料和高放廢物地質處置庫的設計提供了重要的工程參數和理論依據。

2) 處置容器設計方案研究

中國核電工程有限公司李寧等提出了BV型和BG型處置容器設計方案設想，包括BV55V型、BV55H型和BV84T等，對這些方案將進行進一步的深入研究。

3) 處置容器材料篩選和腐蝕行為研究

中國科學院金屬研究所董俊華等研究了處置環(huán)境中低碳鋼、低合金鋼等的腐蝕行為，探討了不同陰離子對金屬腐蝕行為的影響。北京科技大學高克瑋、劉泉林等研究了碳鋼和低合金鋼在地下水模擬溶液中的耐蝕性能。

4) 巖石力學研究

在巖石力學方面，劉月妙、楊春和等系統(tǒng)測定了甘肅北山花崗巖的基本力學特性及時溫效應。核工業(yè)北京地質研究院建立了我國尺寸最大的花崗巖裂隙水流模擬裝置。陳亮等建立了甘肅北山花崗巖的彈塑性損傷模型，趙星光研究了卸載速率的變化對巖爆傾向性的影響，獲得了甘肅北山花崗巖發(fā)生巖爆的應力條件。陳亮、宗自華等以Q′法為基礎，結合高放廢物地質處置工程的特殊性，提出考慮巖體容積、溫度、地下水環(huán)境特征參數和斷裂分布等因素的適合于高放廢物地質處置庫選址的新巖體質量評價體系。陳亮、趙星光、劉月妙等研究了熱-水-力耦合條件下處置庫圍巖花崗巖長期穩(wěn)定性。周宏偉等開展了溫度-應力作用下甘肅北山花崗巖的細觀破壞實驗。楊春和等研究了甘肅北山預選區(qū)巖體力學與滲流特性。

2.4 放射性核素遷移研究

放射性核素遷移研究是高放廢物地質處置研究中的重要基礎研究。進入21世紀，對核素遷移的研究逐漸深化，而研究團隊也不斷壯大，包括中國原子能科學研究院的姚軍、章英杰和張振濤團隊，北京大學劉春立團隊，蘭州大學吳王鎖和郭治軍團隊等[9-15]。

2000年以來，核素遷移研究圍繞甘肅北山地區(qū)的地下水和花崗巖以及內蒙古高廟子膨潤土進行。研究工作的特點是在低氧低濃條件下，緊密結合我國高放廢物處置預選場址，采用甘肅北山真實樣品，研究關鍵核素在甘肅北山真實樣品中的化學行為。建立了原狀地下水儲存、運輸裝置，核素在巖石中的擴散實驗裝置，地下水特征參數測定裝置等；初步掌握了特定地質環(huán)境下模擬地下水的制備方法和實驗方法；測定了模擬地下水、甘肅北山地下水、野外新鮮巖樣的特征參數和成分，同時也測定了低氧低濃條件下Np、Pu、Tc在甘肅北山不同特征和不同深度巖樣中的吸附分配比和擴散系數及彌散系數，并研究了pH值、不同離子種類(硫酸根離子、碳酸根離子、鈣離子等)、離子強度、溫度、腐殖酸低氧等因素對Np、Pu、Tc吸附分配比的影響。獲得了低濃條件下Np、Tc在甘肅北山不同特征巖樣中的彌散系數。此外，還開展了Eu(Ⅲ)、Am(Ⅲ)、Se(Ⅳ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、U(Ⅵ)在花崗巖上的吸附作用研究，并探討了放射性核素在花崗巖表面的吸附機理。如姚軍等重點研究了237Np在膨潤土和花崗巖中的吸附和擴散行為，獲得了237Np在膨潤土和花崗巖上的吸附比、表觀擴散系數等。章英杰研究了Pu、Am(Ⅲ)等在花崗巖中的吸附行為。姜濤等研究了Np的溶解行為和溫度對Np在甘肅北山花崗巖上吸附行為的影響。郭治軍等研究了Se(Ⅳ)、Eu(Ⅲ)在甘肅北山花崗巖和鈉基膨潤土上的吸附作用。劉春立等研究了弱吸附核素99Tc、125I和3H在花崗巖中的擴散。黨海軍等研究了花崗巖介質中Sr、I和Pu的擴散行為。

錒系元素水溶液化學方面，進行了Pu(Ⅵ)的電解制備、不同價態(tài)Pu和Np的分析測定；開展了Np(Ⅵ)與腐殖酸的還原動力學研究、Pu與腐殖酸的還原動力學研究、Pu(Ⅵ)在模擬地下水中還原行為的研究、Np(Ⅴ)存在形態(tài)及膠體行為研究、Am(Ⅲ)與腐殖酸絡合行為的研究和Am(Ⅲ)膠體行為研究等。應用FT-Raman光度計研究了Np(Ⅴ)在水溶液中的存在形態(tài)，應用高速離心法研究了Np(Ⅴ)、Am(Ⅲ)的膠體行為，獲得了還原動力學方程、絡合常數、存在形態(tài)、形成膠體條件等數據。北京大學王祥云、劉春立等編制了核素遷移的計算機軟件CHEMSPEC。陳濤等利用該軟件計算了Np在甘肅北山地下水中的溶解度，并研究了氧化還原點位、pH值、總碳酸根離子對溶解度的影響。

研究了Np、Pu、Tc形成膠體的條件以及對其在特定地質環(huán)境下遷移的影響。獲得了Np、Pu、Tc在特定地質環(huán)境下地下水中的自擴散系數和擴散活化能，并研究了模擬地下水的溫度、黏度、pH值、Fe2+和Sn2+離子濃度等因素變化對Np、Pu、Tc在模擬地下水中擴散系數的影響，獲得了Np、Pu、Tc在甘肅北山地下水中的可能存在價態(tài)的部分數據。

王青海等研究了239Pu的遷移對地下水污染的影響，庹先國開展了239Pu在板巖和黏土巖上的吸附研究。

在地球化學模擬方面，康明亮、陳繁榮等模擬了黃鐵礦與放射性核素的反應路徑以及硫鐵礦阻滯Se和U的機理。

2.5 安全評價研究

在21世紀，我國逐步開展了安全評價方法學研究，引進了若干安全評價程序，并針對甘肅北山場址開展了初步安全評價研究。

調研了國外性能評價報告，包括美國的TSPA-93、TSPA-95、瑞典SKB的SR-97、瑞典SKI的SKI-Project 90、芬蘭的TVO-92、日本的H-3和H-12、英國的NIRREX-97、瑞士的Kristallin-I和加拿大的EIA等。國際原子能機構通過技術合作項目“中國高放廢物處置場址評價和性能評價研究”(2003—2005年)贈送了用于性能評價的GoldSim、Porflow、Amber、FracMan等軟件，可開展完整的從源項、近場、遠場到生物圈的劑量計算，并初步建立起開展性能評價工作的能力。陳偉明利用GoldSim開展了地質處置庫系統(tǒng)分析。熊小偉等以我國高放廢物處置庫的初步概念設計和甘肅北山預選場址為工程背景，利用GoldSim軟件開展了安全評價研究，模擬了處置庫關閉后參考景象下的劑量估算。核工業(yè)北京地質研究院與美國INTERA公司合作，以甘肅北山新場地段為參考場址，建立了要素-事件-過程清單(FEPs)，并利用GoldSim軟件進行了初步性能評價，其結果表明新場是一個安全的場址。

2.6 地下實驗室

21世紀近20年完成了地下實驗室戰(zhàn)略規(guī)劃、選址、工程設計和建造技術研究。

1) 地下實驗室戰(zhàn)略規(guī)劃

為實現2020年左右建成我國地下實驗室的目標，我國從2004年就開始開展了地下實驗室的有關戰(zhàn)略研究。由潘自強和錢七虎院士主導的中國工程院咨詢課題“我國高放廢物地質處置戰(zhàn)略研究”在2005年12月召開研討會，專門研討地下實驗室戰(zhàn)略問題，會上核工業(yè)北京地質研究院王駒提出了 “建造我國特定場區(qū)地下實驗室”的設想，也即“在高放廢物處置庫預選區(qū)的適當地點建造地下實驗室”的設想[16]。

中國核工業(yè)集團公司在2009年開展了地下實驗室戰(zhàn)略規(guī)劃研究，并提出了建設思路和初步的建設方案。2014年，核工業(yè)北京地質研究院牽頭完成了兩份重要報告，即《我國高放廢物地質處置地下實驗室有關戰(zhàn)略問題的總體考慮》和《國家高放廢物地質處置地下實驗室戰(zhàn)略規(guī)劃及實施方案》，并正式上報國家國防科工局。

這兩份報告提出了我國地下實驗室的總體定位、功能、技術路線、建設原則、規(guī)劃目標、規(guī)劃內容、時間節(jié)點、經費需求和具體實施方案。其中，提出的我國地下實驗室的總體定位是：建設在特定場區(qū)(處置庫重點預選區(qū))有代表性的巖石之中、位于500 m深左右、功能較完備且具有擴展功能的，為高放廢物地質處置研究開發(fā)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，也即“特定場區(qū)型”地下實驗室，或稱為“第三代地下實驗室”。

還提出了我國地下實驗室應具備以下基本功能：評價場址深部環(huán)境；開展1∶1工程尺度驗證實驗；開發(fā)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(yōu)化工程設計方案；為未來的處置庫安全評價、環(huán)境影響評價提供各種現場數據；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；為國際合作提供地下實驗巷道和學術交流場所。

規(guī)劃還提出我國不僅要在花崗巖中建設地下實驗室，還應在黏土巖中建設地下實驗室。這兩份文件成為指導我國地下實驗室建設的綱領性文件。

2) 地下實驗室場址篩選

為做好我國高放廢物地質處置地下實驗室的場址篩選，核工業(yè)北京地質研究院完成了《地下實驗室場址篩選方案》和《地下實驗室篩選準則(報批稿)》兩份報告。以這兩份報告為指導，開展了地下實驗室的選址工作。

通過高放廢物地質處置庫場址篩和選場址評價工作，我國在甘肅、新疆、內蒙古共篩選出11個處置庫預選地段，即位于甘肅北山的舊井、新場-向陽山、野馬泉、算井子、沙棗園；位于新疆的雅滿蘇、天湖、阿奇山1號和2號巖體地段；位于內蒙古的塔木素和諾日公等預選地段(圖1)[17]。以這些地段為基礎篩選出9個花崗巖地下實驗室候選場址，即位于甘肅北山的舊井西、新場、算井子和沙棗園場址；位于新疆的雅滿蘇、天湖東和阿奇山1號場址；位于內蒙古的塔木素和諾日公場址。

經綜合比選，從上述9個候選場址中選出了我國地下實驗室的4個初步候選場址，即新場、沙棗園、雅滿蘇、諾日公場址。根據2016年3月、2017年1月和2018年5月3次專家咨詢會的意見，最終確定甘肅北山的新場為推薦場址，沙棗園為備選場址。最終，決定在甘肅北山的新場建設我國首座高放廢物處置地下實驗室。

3) 地下實驗室建造技術研究

為掌握地下實驗室建造技術，國家國防科工局批復了“高放廢物地質處置地下實驗室安全技術評價研究”項目。項目由核工業(yè)北京地質研究院聯(lián)合中核第四研究設計工程有限公司、四川大學、中國礦業(yè)大學(北京)、中國人民解放軍理工大學、中國科學院武漢巖土力學研究所共6家單位共同承擔。項目在甘肅北山舊井地段十月井開挖了“地下實驗室建設安全技術研究北山坑探設施”(簡稱“北山坑探設施”，BET)。北山坑探設施主體結構主要由硐門、斜井、平巷、水倉、試驗硐室和通風鉆孔等組成(圖2)。其中，斜井傾角20°，垂直深度50 m，全長146.19 m；水倉設在斜井底部，與平巷垂直，長20 m；共設4 個專用試驗硐室，其中在斜井中設置1個試驗硐室用于斷層超前探測試驗，在斜井落平后的平巷處設置1個試驗硐室用于EDZ和地下水監(jiān)測試驗，在距破碎帶15～20 m處的平巷兩側各設1個試驗硐室，用于斷裂構造帶超前探測和注漿堵水試驗；通風鉆孔設在靠近斷裂帶的試驗硐室口處，向上直達地表，孔徑300 mm。

圖1 我國高放廢物處置庫內蒙古、新疆、甘肅預選區(qū)位置圖Fig.1 Location map of high-level radioactive waste disposal warehouses pre-selected area in Inner Mongolia, Xinjiang and Gansu in China

圖2 北山坑探設施主體結構示意圖Fig.2 Main structure diagram of North Mountain Pit Exploration Facility

以BET為實驗平臺，項目展開了5個專題研究：地下實驗室施工過程安全技術研究；地下實驗室多參量監(jiān)測技術研究；近場圍巖導水斷裂帶探測系統(tǒng)研究；地下實驗室動力災害預測與防治技術研究；地下工程長期穩(wěn)定性評價研究。通過BET開挖和現場實驗研究，提出了地下實驗室工程安全要求及評價指標，掌握了高放廢物地質處置地下實驗室工程設計、建造有關的關鍵技術，為地下實驗室設計和建造提供理論基礎和技術支撐。

4) 地下實驗室工程設計

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初步設計(圖3)。

該地下實驗室位于地下560 m深，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)，1條長約7 km、直徑7.0 m的斜坡道，聯(lián)絡通道，通風排水等輔助系統(tǒng)，-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(qū)、消防供電等輔助配套設施。

2.7 國際合作

國際合作十分活躍是21世紀高放廢物地質處置研究領域的特點和亮點之一。承擔了高放廢物地質處置領域國際原子能機構(IAEA)技術合作項目和協(xié)調研究項目、歐盟合作研究項目、雙邊合作項目(中法、中德、中比、中日等)，與法國、瑞典、芬蘭、德國、日本、美國等簽有合作備忘錄。

圖3 中國北山高放廢物地質處置地下實驗室示意圖Fig.3 Schematic diagram of underground research laboratory for geological disposal of high-level radioactive waste in Beishan, China

1999年IAEA批準了我國高放廢物地質處置領域第1個技術合作項目“中國高放廢物處置庫選址和場址特性評價研究”(項目號CPR/9/026，期限為1999—2001年)。IAEA技術官員和派遣的專家Raynal、Virlogeux、Aranyossy來華并赴甘肅北山考察指導選址和場址特性評價研究。專家認為甘肅北山有可能是世界上最好的處置庫場址之一。IAEA通過本項目贈送了用于場址評價的鉆孔雷達。此后，連續(xù)與IAEA開展了5期技術合作項目。

在與歐盟合作方面，核工業(yè)北京地質研究院以全職研究單位的身份參與了歐盟第七框架研究計劃項目“工程屏障長期性能研究”(簡稱PEBS項目)。

核工業(yè)北京地質研究院還與日本放射性廢物管理中心在甘肅北山開展了十月井斷裂的三維電磁法測量研究，獲得了十月井斷裂的三維電阻率圖像。與歐盟合作，開展耦合條件下膨潤土特性研究。與香港大學合作，開展甘肅北山花崗巖高溫蠕變特性研究等。與德國自然資源和地質科學研究院合作，開展三維地質建模研究等。還與瑞典和芬蘭合作開展地下實驗室工程設計研究。

3 結束語

2019年5月6日，國家國防科工局批復了北山地下實驗室工程建設立項建議書，標志我國高放廢物地質處置地下實驗室的工程建設進入一個全新的階段。在2019年完成道路、水、電、通訊等配套工程的準備，獲得可行性研究報告批復后，地下實驗室主體工程建設將正式開工。按照計劃，我國將在2026年左右在甘肅北山新場建成我國首個花崗巖地下實驗室，并投入運行。

高放廢物地質處置是一項技術難度大、投入經費多、研究周期長、涉及學科多的系統(tǒng)工程。盡管在21世紀初我國高放廢物地質處置研究取得了顯著進展，但工作處于初步階段，積累的技術基礎還很薄弱，離完全掌握高放廢物地質處置技術還有相當的距離。

今后應進一步理順管理體制，加大投入，統(tǒng)籌規(guī)劃，相互協(xié)調。既突出重點，又需全面和系統(tǒng)地開展高放廢物地質處置的各項研究工作，尤其應補足短板，為達到最終安全處置我國高放廢物的目標建立堅實的科學、技術和工程基礎。