放射性廢物填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)探究

＊王文軒 沈楨琪 楊美健 鮑芳

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100080）

極低水平放射性廢物（VLLW）是指廢物中放射性核素活動(dòng)濃度接近或者略高于豁免水平或解控水平。該類極低放廢物主要包括退役產(chǎn)生廢物。除此之外，核燃料循環(huán)設(shè)施生產(chǎn)及退役過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些含天然核素的放射性廢物。

鑒于極低放廢物和含天然核素的放射性廢物的放射性污染特性，對(duì)該類廢物的處置需考慮采取有限的包容和隔離措施，可以在地表填埋設(shè)施處置，或者按照國(guó)家固體廢物管理規(guī)定，在工業(yè)固體廢物處置場(chǎng)中處置的廢物。

填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)作為固體廢物填埋場(chǎng)的主要功能單元，通過(guò)滲濾液收集系統(tǒng)、防滲層以及封場(chǎng)組成的防滲系統(tǒng)，在一定時(shí)期內(nèi)有效防止?jié)B濾液或其他有毒有害物質(zhì)進(jìn)入土壤、地下水造成污染，同時(shí)防止場(chǎng)外水進(jìn)入填埋區(qū)的有效屏障。防滲層防滲方式分為天然防滲和人工防滲。

1.極低放填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)

(1)滲濾液收集系統(tǒng)

滲濾液收集系統(tǒng)收集并將滲濾液排放至指定地點(diǎn)并排出，防止場(chǎng)內(nèi)滲濾液積聚，保證運(yùn)行期間防滲系統(tǒng)正常工作。滲濾液主要來(lái)源于：①降水；②地下水；③廢物及覆蓋材料中的水分；④有機(jī)物分解生成水。填埋場(chǎng)滲濾液積聚會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：①滲濾液積聚致使場(chǎng)內(nèi)水位升高，放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)進(jìn)入滲濾液中使污染物濃度升高，最終進(jìn)入天然土壤或者地下水導(dǎo)致污染；②滲濾液積聚導(dǎo)致防滲層上部靜水壓力增加，滲濾液能夠更快滲透防滲層進(jìn)入地下；③滲濾液積聚可能會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)滲濾液溢出，污染填埋場(chǎng)四周環(huán)境。

極低放廢物填埋場(chǎng)滲濾液收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，采取分區(qū)或單一排布滲濾液導(dǎo)排管的方式，將滲濾液排至滲濾液收集池的方式防止填埋場(chǎng)滲濾液積聚導(dǎo)致防滲層上部靜水壓力增加，防止?jié)B濾液加速向地下滲透，同時(shí)及時(shí)將滲濾液排出以防止?jié)B濾液中污染物濃度增加。

(2)人工材料防滲層

目前國(guó)內(nèi)外環(huán)保工程領(lǐng)域人工防滲層一般采用高密度聚乙烯膜（HDPE膜）、膨潤(rùn)土防水毯（GCL）作為防滲材料。HDPE膜的主要作用為隔斷水氣，GCL作為膜下保護(hù)層，鋪設(shè)需要盡可能平整，使GCL和HDPE膜緊密結(jié)合，減少其間因滲透或缺陷造成的界面滲流，盡可能阻止?jié)B濾液進(jìn)入土壤和地下水。HDPE膜上鋪設(shè)長(zhǎng)絲土工布和覆土層，覆土層防止HDPE膜被刺穿，長(zhǎng)絲土工布因其具有良好的抗淤堵和抗蠕變性能，適合作為無(wú)粘性土的濾層。

HDPE膜是國(guó)內(nèi)外環(huán)保工程領(lǐng)域廣泛使用的防滲材料，具有以下特點(diǎn)：①防滲系數(shù)遠(yuǎn)高于普通防水材料；②優(yōu)良的彈性、變形能力和機(jī)械強(qiáng)度；③穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和耐老化性能。GCL通常用作HDPE膜的保護(hù)層鋪墊在HDPE膜下方，其吸水高膨脹的性能使其能在HDPE被刺穿時(shí)能夠自動(dòng)膨脹填補(bǔ)漏洞，優(yōu)秀的防滲能力足以延緩滲濾液等物質(zhì)的滲透。一般要求HDPE膜滲透系數(shù)應(yīng)小于1.0×10-12cm/s，膜厚度不小于1.5mm，GCL的密度不小于600g/m2。

在工程實(shí)踐中，極低放廢物填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)填埋廢物的特征和場(chǎng)址的巖土特性、當(dāng)?shù)貧夂驐l件和防滲材料的可獲得性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。填埋單元防滲層包括：底部防滲層、邊坡防滲層和頂蓋防滲層。底部防滲層和邊坡防滲層由于其功能性一致，選用的防滲材料可一起考慮。為了有效保護(hù)防滲層，防滲層鋪設(shè)前，對(duì)單元基礎(chǔ)底部處理平整，防止有石塊、土塊等突出物，表面無(wú)積水、無(wú)雜物，平整后做夯實(shí)處理。

(3)天然材料防滲層

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，天然防滲材料一般采用粘土等易獲得的天然材料。影響粘土防滲性能的主要因素有塑性指數(shù)、粒徑和粘土層的壓實(shí)系數(shù)及滲透系數(shù)。結(jié)合《GBT28178-2011極低水平放射性廢物的填埋處置》和相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，粘土層壓實(shí)系數(shù)應(yīng)不小于0.94，滲透系數(shù)應(yīng)不大于1.0×10-7cm/s。

(4)封場(chǎng)

填埋場(chǎng)封場(chǎng)結(jié)構(gòu)又稱為覆蓋層，其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件、人員和動(dòng)物的活動(dòng)情況。當(dāng)填埋場(chǎng)完成廢物填埋，達(dá)到設(shè)計(jì)填埋標(biāo)高和設(shè)計(jì)容量時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封場(chǎng)處理，以提高表面排水和防滲能力，阻止大氣降雨進(jìn)入填埋區(qū)內(nèi)，從而盡可能減少滲濾液的產(chǎn)生量，防止生物和人為活動(dòng)對(duì)填埋場(chǎng)的侵?jǐn)_，防止風(fēng)雨的侵蝕產(chǎn)生水土流失以及對(duì)廢物堆體的影響。

2.含天然核素放射性廢物填埋

隨著我國(guó)核燃料循環(huán)設(shè)施的生產(chǎn)及退役，產(chǎn)生了一定量的含有高于免管水平天然放射性核素的廢物，此類廢物的處置方式現(xiàn)在沒(méi)有定論，下面將對(duì)于含有天然放射性核素的廢物進(jìn)行填埋的可能性進(jìn)行論證，并探討該類廢物填埋場(chǎng)防滲層的設(shè)計(jì)思路。

(1)含有天然核素放射性廢物填埋的可能性論證

根據(jù)我國(guó)放射性廢物分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于含有較高水平天然放射性核素的廢物，需要根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化的劑量準(zhǔn)則進(jìn)行監(jiān)護(hù)，廢物監(jiān)護(hù)時(shí)間需要足夠長(zhǎng)以保證廢物處置的安全性，標(biāo)準(zhǔn)中明確指出大多數(shù)含有天然放射性核素的廢物可以在地表填埋設(shè)施中處置。由此可見(jiàn)，含有天然放射性核素的廢物進(jìn)行地表埋藏是可行的。

根據(jù)我國(guó)極低放填埋處置的要求，對(duì)于天然核素放射性廢物進(jìn)行極低放填埋，238U、235U和232Th天然放射性衰變系列中的任何一個(gè)核素，以免管值作為這些天然放射性核素的活度濃度指導(dǎo)值，即一噸以下的含天然放射性核素的極低放廢物，核素的活度濃度指導(dǎo)值為10Bq/g；廢物的總量超過(guò)一噸的含天然放射性核素的極低放廢物，每個(gè)填埋單元核素平均活度濃度不大于1Bq/g，對(duì)于處置條件較好的填埋場(chǎng)，經(jīng)監(jiān)管部門批準(zhǔn)，可以適當(dāng)放寬核素濃度限值。

綜合可知，含有天然放射性核素的廢物進(jìn)行地表填埋是可行的，天然放射性核素的活度濃度低于1Bq/g的可以作為極低放廢物進(jìn)行填埋。對(duì)于天然放射性核素活度濃度大于1Bq/g的放射性廢物，其填埋處置應(yīng)該根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，對(duì)處置條件進(jìn)行分析論證，經(jīng)監(jiān)管部門批準(zhǔn)，進(jìn)行地表填埋。當(dāng)含天然核素廢物活度濃度過(guò)大，不宜進(jìn)行地表填埋處置。同時(shí)，含有高于免管天然放射性核素活度濃度的廢物由于其監(jiān)管時(shí)間較長(zhǎng)，建議不與以人工放射性核素為主的極低放填埋場(chǎng)混合填埋，而單獨(dú)設(shè)計(jì)填埋單元進(jìn)行單獨(dú)管理。

(2)含有天然核素放射性廢物填埋的防滲設(shè)計(jì)思路

我國(guó)極低放廢物填埋場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間一般為30年左右，防滲系統(tǒng)多采用壽命為幾十年的人工防滲材料，沒(méi)有針對(duì)長(zhǎng)壽命天然放射性核素的防滲設(shè)計(jì)。國(guó)外Wisconsin-Madison大學(xué)的KuoTian等研究了不同溫度和是否存在放射性影響下的HDPE膜的使用壽命，研究表明HDPE膜理論使用壽命將長(zhǎng)于650年，即使如此，相較于天然放射性核素的壽命，其使用壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，對(duì)于含天然核素的放射性廢物的填埋，需要考慮能夠長(zhǎng)期保持防滲性能的天然防滲材料設(shè)計(jì)。

我國(guó)對(duì)于伴生放射性物料貯存及固體廢物填埋和尾礦庫(kù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范中均有對(duì)含天然核素放射性廢物填埋設(shè)施防滲層設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定?！禛B50863-2013尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，為了隔離尾礦、礦漿水和外部環(huán)境，防止地下水或地表水進(jìn)入尾礦庫(kù)內(nèi)，可以采取天然黏土防滲結(jié)構(gòu)、人工復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)或者雙層人工復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)三種設(shè)計(jì)方式，由于大多數(shù)尾礦庫(kù)不具備天然黏土做防滲層的條件，所以多采用人工復(fù)合或雙層人工復(fù)合防滲設(shè)計(jì)?！栋樯派湫晕锪腺A存及固體廢物填埋輻射環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范（試行）》指出伴生放射性廢料貯存及固體廢物填埋需要采用多層防滲結(jié)構(gòu)，防滲結(jié)構(gòu)從下至上依次為天然基礎(chǔ)層、天然材料防滲層、雙人工防滲襯層?？梢钥闯?，對(duì)于含天然核素的廢物填埋，雖然人工防滲材料使用壽命短，但防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也應(yīng)加以應(yīng)用。

綜上所述，對(duì)于極低放填埋場(chǎng)含天然核素放射性廢物填埋的防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)以天然防滲材料設(shè)計(jì)為主，保證能夠?qū)μ盥駡?chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期防護(hù)。但考慮到填埋場(chǎng)所在地氣象、地質(zhì)、水文等條件的差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況添加人工材料防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)于具備雨雪較少、地下水較深等良好條件的填埋場(chǎng)，可以添加簡(jiǎn)單的人工材料防滲設(shè)計(jì)，對(duì)于不具備良好條件的填埋場(chǎng)，應(yīng)添加復(fù)合人工材料防滲設(shè)計(jì)。

3.結(jié)論

對(duì)于放射性廢物填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)，防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到填埋場(chǎng)在運(yùn)行期間能否和地下水、土壤完全隔離，不對(duì)環(huán)境造成影響。對(duì)于含有不同種類的放射性廢物的填埋設(shè)施，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)核素種類、特性等進(jìn)行必要的區(qū)分，應(yīng)從多方面對(duì)填埋處置要求進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案：

（1）由于人工核素與天然核素的特性差別，在采用填埋方式對(duì)放射性廢物進(jìn)行處置時(shí)，應(yīng)該對(duì)兩類核素污染的廢物進(jìn)行分別處置，避免交叉處置。

（2）對(duì)于不含天然核素極低放射性廢物的填埋，防滲設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件綜合考慮，目前，選擇粘土、HDPE膜、GCL和土工布復(fù)合使用是一種較好的方式，具備滿足防滲能力且技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。

（3）對(duì)于含天然核素放射性廢物的填埋，考慮到天然核素半衰期長(zhǎng)，人工防滲材料不具備足夠長(zhǎng)使用壽命等因素，在設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、核素的類型及活度、工程屏障的特性等因素，結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)的結(jié)論進(jìn)行選址、接收限值的確定、防滲層設(shè)計(jì)方案的比選。