高放廢物地質(zhì)處置進(jìn)展和安全評(píng)價(jià)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(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南衡陽 421001; 2. 稀有金屬礦產(chǎn)開發(fā)與廢物地質(zhì)處置技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南衡陽 421001; 3.中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 北京 100029)

0 引言

隨著世界核能技術(shù)的發(fā)展，有核國家將核能用于國防和能源領(lǐng)域，核電站越建越多，產(chǎn)生的核廢料也持續(xù)增加。目前全世界正在運(yùn)行的核電站大約有400多座，每年預(yù)計(jì)將產(chǎn)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(huán)處理，其余的則會(huì)放置在中間儲(chǔ)存設(shè)施中[1-4]。目前全世界儲(chǔ)存的乏燃料約有20萬tHM。

我國是全球第三大核電生產(chǎn)國，核電在建規(guī)模世界第一。按照目前的發(fā)展情況，預(yù)計(jì)到2020年底，我國累計(jì)核電發(fā)電量能夠突破一萬億千瓦大關(guān)，并且仍具有上升的空間，此時(shí)全部核電站相應(yīng)的乏燃料累計(jì)總量將會(huì)達(dá)到14萬tHM[2]。

這些乏燃料后處理所產(chǎn)生的高放廢物含有幾十種放射性核素，其放射性強(qiáng)度從形成到衰變?cè)俚秸Ｋ酵枰?jīng)歷數(shù)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(shí)具有高釋熱率(如90Sr和137Cs)。此外，高放廢物會(huì)因自身的強(qiáng)輻射場作用產(chǎn)生C2H4、CH4、CO、H2等燃爆性氣體[5-6]。高放廢物的這些復(fù)雜特性，導(dǎo)致其最終處置費(fèi)用高、難度極大且面臨一系列工程、技術(shù)及社會(huì)科學(xué)方面的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)的最大難點(diǎn)在于如何確保在高放廢物與生物圈之間進(jìn)行安全可靠、長期有效的隔離，且隔離時(shí)間長達(dá)數(shù)萬年甚至更長時(shí)間?！斗派湫詮U物安全管理?xiàng)l例》規(guī)定：高放廢物地質(zhì)處置相對(duì)應(yīng)的安全隔離期不得少于1萬年。

本文介紹了國內(nèi)外高放廢物處置研究進(jìn)展，綜述了我國高放廢物地質(zhì)處置庫的若干關(guān)鍵科學(xué)問題，深入論述了高放廢物地質(zhì)處置的安全評(píng)價(jià)。

1 高放廢物處置進(jìn)展

1.1 地質(zhì)處置

從上個(gè)世紀(jì)中葉開始，世界各國對(duì)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(zhì)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(guī)、風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用等方面考慮，這些方案中除了“深地質(zhì)處置”，其他方案實(shí)施的可行性很小[1-8]。

表1 高放廢物處置方案[1-9]

經(jīng)過長期多方面的驗(yàn)證，“深地質(zhì)處置”是目前最安全可靠、技術(shù)上非常可行的處置方案。該方案具有隔離性能好、穩(wěn)定時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，該方案已被大多數(shù)國家所接受，已有大量人力財(cái)力物力投入該方案的系統(tǒng)研究。

1.2 高放廢物處置庫

高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包括生物圈、處置庫和地質(zhì)環(huán)境，三者之間相互影響，相互關(guān)聯(lián)?；趯?shí)體標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大類：一類是地質(zhì)屏障，另一類是工程屏障。地質(zhì)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(guī)格容量的廢物罐容器以及差異化的緩沖回填材料。地質(zhì)屏障與工程屏障是阻止放射性物質(zhì)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(zhì)處置庫被層層包裹，高放廢物的放射性、毒性以及發(fā)熱量可以得到大幅度削弱；并且由于建造在深部穩(wěn)定的地質(zhì)體中，氣候變化、地面作用和人類活動(dòng)的負(fù)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(zhì)處置過程中不可或缺的重要步驟，通過對(duì)大區(qū)域的調(diào)查，排除不合適的場址，并對(duì)剩余場址進(jìn)行篩查和對(duì)比，優(yōu)選出候選場址。需要考慮的因素比較多，一般包括：地質(zhì)條件、建造條件、環(huán)境保護(hù)、人類活動(dòng)、未來變化、土地使用、交通運(yùn)輸、人文經(jīng)濟(jì)。選址一般分為4個(gè)階段：選址規(guī)劃、區(qū)域調(diào)查、特性評(píng)價(jià)、場址確認(rèn)。我國選址工作開始于1985年，1985—1999年進(jìn)行了規(guī)劃選址，比較了新疆、內(nèi)蒙古、西北(甘肅)、華東、華南、西南等6個(gè)預(yù)選區(qū)，重點(diǎn)研究了西北(甘肅)預(yù)選區(qū)。經(jīng)過調(diào)研對(duì)比后，最終篩選出了11個(gè)適宜地段。1999年IAEA技術(shù)官員派遣了專家來華對(duì)甘肅北山的場址進(jìn)行考察，多數(shù)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(yè)北京地質(zhì)研究院向有關(guān)部門提出了高放廢物處置庫場址區(qū)域篩選的建議，在搜集的預(yù)選區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、社會(huì)條件、經(jīng)濟(jì)條件等資料基礎(chǔ)上，經(jīng)過系統(tǒng)對(duì)比選擇甘肅北山作為選址最終結(jié)果。該區(qū)域地處戈壁氣候干燥、地形平緩、地殼穩(wěn)定、花崗巖體完整、人口稀少、交通便利、地形地質(zhì)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(guān)于北山高放廢物地質(zhì)處置的地下實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)立項(xiàng)書被正式批復(fù)，從此我國高放廢物地質(zhì)處置正式進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室階段[9]。

目前已經(jīng)基本確定高放廢物采用玻璃固化，以甘肅北山為建設(shè)場址，將花崗巖作為處置庫的主要巖型，以內(nèi)蒙古為例，其建設(shè)應(yīng)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(shí)際需求，并且確定了添加劑的配方[7,9]，處置庫設(shè)計(jì)的核心概念就是保障安全，把永久處置設(shè)定為目標(biāo)，由巷道、豎井、硐室組成。

2 安全評(píng)價(jià)研究

2.1 安全評(píng)價(jià)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(guān)注的焦點(diǎn)，更關(guān)乎到我國核工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。長期安全是高放廢物地質(zhì)處置的基本核心，因此安全評(píng)價(jià)是高放廢物處置研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并且刻不容緩。安全評(píng)價(jià)是高放廢物地質(zhì)處置的重要一環(huán)，也是給公眾建立信心的關(guān)鍵。對(duì)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(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)安全評(píng)價(jià)，包括對(duì)處置庫正常和不同情景下引起的輻射危害進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]。安全評(píng)價(jià)的開展使得決策者、監(jiān)督者、公眾都了解場址的安全性，再綜合多方面因素進(jìn)行場址決策。監(jiān)管機(jī)構(gòu)能夠基于安全評(píng)審報(bào)告做出何時(shí)轉(zhuǎn)入下一階段的指示。此外，安全評(píng)價(jià)的階段性發(fā)展對(duì)上階段的不足和下階段的重點(diǎn)有指導(dǎo)性作用，可以指引今后的發(fā)展方向[12]。

地質(zhì)處置庫工程的開展較為復(fù)雜，其具體的安全評(píng)價(jià)和其他類型的工程系統(tǒng)有所不同，主要表現(xiàn)在所考慮的時(shí)間范圍跨度較長，波及空間范圍相對(duì)較大，導(dǎo)致實(shí)際的安全評(píng)價(jià)存在較大難度[13]。處置系統(tǒng)較為復(fù)雜，包含了玻璃固化體、緩沖材料、廢物包裝容器、圍巖擾動(dòng)帶、處置圍巖、區(qū)域環(huán)境等多個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)各個(gè)系統(tǒng)之間還有耦合作用。如果分別對(duì)其中的子系統(tǒng)實(shí)施安全特性研究和場址建模(地質(zhì)模型、物理模型、數(shù)值模型等)，需要考慮的時(shí)間跨度達(dá)上百萬年，還要進(jìn)行極為復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)現(xiàn)有的科學(xué)水平和計(jì)算能力都是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。并且到現(xiàn)在為止國內(nèi)還未建成可以投入使用的處置庫，相應(yīng)的安全評(píng)價(jià)也還沒有發(fā)布[13-18]。

我國關(guān)于地質(zhì)處理的安全評(píng)價(jià)起步較晚，缺少深入的研究，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，需要加強(qiáng)發(fā)展。目前開展落實(shí)的地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)工作涉及場址篩選、場區(qū)地質(zhì)條件的調(diào)研等，現(xiàn)有的成果還是很有價(jià)值的[16,19-21]，例如預(yù)選區(qū)的水文地質(zhì)研究和環(huán)境評(píng)測(cè)、緩沖回填材料的研究、安全評(píng)價(jià)的類比研究、核素的遷移、玻璃固化體的長期穩(wěn)定性研究、處置庫圍巖的吸附形狀和深度研究。但不可否認(rèn)的是，我國的地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家依舊存在較大差距。

21世紀(jì)，我國調(diào)研了許多國家的性能評(píng)價(jià)報(bào)告，包括美國、瑞典、芬蘭、日本等，同時(shí)開發(fā)設(shè)計(jì)了多個(gè)不同功能的安全評(píng)價(jià)程序。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)通過相關(guān)合作也贈(zèng)送了可開展完整的從遠(yuǎn)、近場的模擬仿真評(píng)估軟件FracMan、Ecolego、Melode、Goldsim、Porflow、Amber等[17-26]。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院利用安全評(píng)價(jià)軟件，以甘肅北山場址為評(píng)價(jià)對(duì)象，完成了標(biāo)準(zhǔn)清單的建立(FEPs)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了景象開發(fā)和景象分析[17]；輻射防護(hù)研究院的熊小偉等利用Goldsim軟件，以日本H12報(bào)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(guān)閉后的放射劑量，結(jié)果表明：遠(yuǎn)、近場的輻射劑量在正常范圍之內(nèi)；陳明利用Goldsim軟件進(jìn)行了處置庫的系統(tǒng)分析，其計(jì)算結(jié)果表明：正常情況下處置庫關(guān)閉100萬年后沒有放射性核素釋放到生物圈。這些結(jié)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(wù)是通過評(píng)價(jià)模型對(duì)特定景象精心試算從而建立起框架體系，重視安全評(píng)價(jià)方法開發(fā)與應(yīng)用，掌握基本的方法和技術(shù)；初步篩選出關(guān)鍵部位和特性參數(shù)，為以后的處置庫工程設(shè)計(jì)、安全分析、環(huán)境評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)[26-30]；基于實(shí)際的監(jiān)管要求完成科學(xué)合理的安全評(píng)價(jià)，明確詳細(xì)具體的特征屬性，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，完善安全評(píng)價(jià)的穩(wěn)定性、追溯性，模擬分析處置庫今后的演變趨勢(shì)，特別是處置庫圍巖內(nèi)核素隨地下水遷移這塊，做出詳細(xì)的安全評(píng)價(jià)報(bào)告。

2.2 安全評(píng)價(jià)基本步驟

對(duì)于準(zhǔn)備建造的處置庫，其安全評(píng)價(jià)必不可少，其內(nèi)容主要涉及多種不同環(huán)境下的安全評(píng)價(jià)和危害分析。

其具體步驟(圖1)是：先明確評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)象，開展前期資料收集、事故案例統(tǒng)計(jì)與現(xiàn)場勘查，然后進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別和情景分析，在識(shí)別的時(shí)候要注意不能遺漏潛在的危險(xiǎn)和即將生成的危險(xiǎn)[30]。接下來在設(shè)定情景中分析危險(xiǎn)，著重對(duì)其性質(zhì)、種類、范圍、條件、概率進(jìn)行分析，并估算頻率，構(gòu)建未來可能出現(xiàn)的各種場景。對(duì)已經(jīng)查明的危險(xiǎn)通過建?；蛘哂?jì)算來進(jìn)行量化，單元?jiǎng)澐诌x取合適的方法，為評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。最后，將分析結(jié)果與有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全性。同時(shí)給出技術(shù)措施、修改建議或者操作指南等，并且對(duì)各個(gè)方案進(jìn)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(píng)價(jià)開展過程中應(yīng)該對(duì)不同影響因素進(jìn)行全方位的分析與評(píng)估，并且評(píng)價(jià)的模型也需要驗(yàn)證和對(duì)比。

圖1 安全評(píng)價(jià)基本步驟

2.3 結(jié)果與指標(biāo)

對(duì)于高放廢物地質(zhì)處置系統(tǒng)來講，其安全評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)體系的建立必須滿足簡便、直觀、穩(wěn)定可靠等要求，目前尚未對(duì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)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(biāo)和安全性能指標(biāo)的概念，基于輻射劑量(Dose)或風(fēng)險(xiǎn)因子(Risky)對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的安全性進(jìn)行衡量。其中歐洲習(xí)慣用安全功能指標(biāo)評(píng)價(jià)，對(duì)系統(tǒng)的性能和放射性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果以輻射值或者其它數(shù)值表示；美國習(xí)慣用安全性能指標(biāo)評(píng)價(jià)，對(duì)系統(tǒng)的性能和影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果以工程的穩(wěn)定性表示，但是兩者本質(zhì)上并沒有區(qū)別。這類指標(biāo)概念簡單明了并且已經(jīng)被大多數(shù)人們接受。

現(xiàn)今我國還沒有具體規(guī)定高放廢物地質(zhì)處理安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是綜合國外的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)給出了具體建議(表2)[30]。我國地下實(shí)驗(yàn)室即將開工建設(shè)，開展安全評(píng)價(jià)研究具有一定的緊迫性，以為今后的處置庫安全評(píng)價(jià)打下良好的基礎(chǔ)。

表2 我國高放廢物地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的建議

3 對(duì)高放廢物地質(zhì)處置研究的展望和建議

當(dāng)前，國家對(duì)高放廢物的地質(zhì)處置問題高度重視，健全完善了很多相關(guān)法律法規(guī)。此外，經(jīng)費(fèi)的大量投入、參與單位的增加、國際合作的加強(qiáng)、研究的深入，都使得我國高放廢物地質(zhì)處置的綜合實(shí)力逐漸提高并且取得突破進(jìn)展。

然而，目前還存在一些重大技術(shù)難題。例如，在工程建設(shè)方面，處置庫開挖技術(shù)、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(guān)項(xiàng)目；在地質(zhì)方面，場址區(qū)域水文特征和地質(zhì)參數(shù)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(zhì)體的地球物理測(cè)量、深部地質(zhì)環(huán)境和條件隨時(shí)間的變化、深部巖石受到外部因素(中高溫、高壓、地殼應(yīng)力、還原條件、水流作用和化學(xué)作用)影響的地球化學(xué)行為等方面的研究仍然是難點(diǎn)；在安全評(píng)價(jià)研究方面，裂隙介質(zhì)水文地質(zhì)模擬、大規(guī)模流場模擬、關(guān)鍵塊體識(shí)別和建模、初步試算能力、地質(zhì)處置系統(tǒng)綜合性能的分析與評(píng)估、計(jì)算機(jī)模擬仿真分析等方面的研究仍亟待加強(qiáng)。為了增加安全評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度和說服力，需加大相關(guān)軟件的研發(fā)力度以增強(qiáng)自身競爭力；此外，應(yīng)重視鑒定場址范圍內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)，識(shí)別導(dǎo)水的構(gòu)造和裂隙的分布，以減少對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的影響和干擾[31]。安全評(píng)價(jià)的研究是高放廢物地質(zhì)處置研究規(guī)劃中非常重要的一環(huán)，而且貫穿整個(gè)規(guī)劃始終，應(yīng)該從長期發(fā)展的角度來考量。即使這樣，未來仍會(huì)有許多不確定性，這無疑會(huì)給安全評(píng)價(jià)的研究帶來挑戰(zhàn)。隨著工程建設(shè)的技術(shù)升級(jí)，可能會(huì)要求重新進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此還需具備應(yīng)變的能力。此外，研究人員需要有大局觀，不僅要考慮系統(tǒng)安全，還要兼顧廢物的優(yōu)化和最小成本管理，因?yàn)樘幹酶叻艔U物的費(fèi)用很高。這就要求安全評(píng)價(jià)人員在保證系統(tǒng)工程質(zhì)量的情況下尋求最佳的經(jīng)濟(jì)方案。同時(shí)需要強(qiáng)調(diào)的是，我們不能只考慮系統(tǒng)總體，而忽視子系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)，兩者應(yīng)該兼顧[23,31]。

總體上，針對(duì)我國高放廢物地質(zhì)處置開展的工作建議分為：

(1)收集國外資料、引進(jìn)國外軟件并加以消化，編制符合我國國情的安全評(píng)價(jià)要求細(xì)則，邀請(qǐng)國外專家聯(lián)合評(píng)審。

(2)以現(xiàn)今各行業(yè)的安全評(píng)價(jià)內(nèi)容成果為基礎(chǔ)，盡快建立我國系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型，利用評(píng)價(jià)分析的結(jié)果來細(xì)化和完善我國的處置庫建設(shè)工程。對(duì)于安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)，如模型搭建、評(píng)價(jià)指標(biāo)確立要加快進(jìn)度。應(yīng)以核素遷移為主線，以實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)運(yùn)行，并且要通過試驗(yàn)深入驗(yàn)證開展相關(guān)工作。與此同時(shí)要做好相關(guān)宣傳工作，獲得公眾的信任與支持。