夯實(shí)高放廢物處置技術(shù)根基 保障核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

北山地下實(shí)驗(yàn)室總設(shè)計(jì)師

核工業(yè)北京地質(zhì)研究院副院長(zhǎng)

國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)高放廢物處置創(chuàng)新中心 主任 王 駒

高放廢物，即高水平放射性廢物，主要是指乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體；對(duì)實(shí)行“一次通過，即乏燃料直接處置”政策的國(guó)家，高放廢物也包括乏燃料。高放廢物是一種特殊的廢物，含有镎、钚、镅、锝等放射性核素，具有放射性強(qiáng)、毒性大、半衰期長(zhǎng)和發(fā)熱等特點(diǎn)。它們一旦進(jìn)入人類生存環(huán)境，危害極大，且難以消除。因而，高放廢物安全處置是一個(gè)影響核能可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和子孫后代福祉的重大問題,也是一個(gè)科學(xué)、技術(shù)、工程和社會(huì)學(xué)的重大難題。

對(duì)高放廢物進(jìn)行安全處置的難度極大，其難點(diǎn)在于如何使高放廢物在上萬年甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度與人類生存環(huán)境安全可靠地隔離、如何使公眾相信能夠保證高放廢物處置的安全等。同時(shí)整個(gè)處置過程前人從未經(jīng)歷過，缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

因此，對(duì)該類廢物的處置是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性、艱巨性、綜合性和探索性等特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在研究開發(fā)難度大，安全評(píng)價(jià)期極長(zhǎng)（國(guó)際上一般認(rèn)定的安全評(píng)價(jià)期約為1 萬年），研發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)投資較大，公眾關(guān)注度高。

截至2022 年6 月，我國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組54 臺(tái)（含高溫氣冷堆），在建及核準(zhǔn)機(jī)組23 臺(tái)，在運(yùn)核電各項(xiàng)性能指標(biāo)位于世界前列，在建核電規(guī)模世界第一。2021 年核電發(fā)電量占全國(guó)累計(jì)發(fā)電量的5.02%。在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)核能發(fā)展重新進(jìn)入快車道。據(jù)規(guī)劃，到2030 年我國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到1.1 億千瓦，到2035 年將達(dá)到1.5 億千瓦以上。

核能的發(fā)展，產(chǎn)生的乏燃料和高放廢物，務(wù)必得到永久安全的處置。

國(guó)際高放廢物處置有關(guān)進(jìn)展

芬蘭地下實(shí)驗(yàn)室和乏燃料處置庫 3 維圖

根據(jù)今年國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)出版的《乏燃料與放射性廢物管理的現(xiàn)狀和趨勢(shì)》報(bào)告，世界上共卸出26.5 萬噸（tHM）乏燃料，其中的12.7 萬噸已經(jīng)經(jīng)過后處理（截至2016 年12 月的數(shù)據(jù)），已經(jīng)產(chǎn)生3800 萬立方米的放射性固體廢物，其中3050 萬立方米已經(jīng)得到永久處置，另外，720 萬立方米的固體廢物仍在暫存，等待最終處置。在所有廢物中，98%的屬于低放和極低放廢物，而98%的放射性則集中于高放廢物和中放廢物中。

高放廢物安全處置問題已引起有關(guān)國(guó)際組織和國(guó)家的高度關(guān)注。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)成員國(guó)大會(huì)于1997 年通過了《乏燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯(lián)合公約》，明確條約簽字國(guó)安全處理處置乏燃料和放射性廢物的責(zé)任。

各有核國(guó)家也均在國(guó)家層面上高度重視高放廢物安全處置的工作。他們通過制定國(guó)家政策、頒布法律法規(guī)、成立專門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、籌措專門經(jīng)費(fèi)、制定長(zhǎng)期科技開發(fā)計(jì)劃、建立專門的地下研究設(shè)施（地下實(shí)驗(yàn)室）和開展長(zhǎng)期研究等方式，從政策、法規(guī)、機(jī)構(gòu)、經(jīng)費(fèi)和科研等方面積極推進(jìn)高放廢物的安全處置。

國(guó)家層面高度重視、健全管理體制并成立執(zhí)行機(jī)構(gòu)、建立研發(fā)設(shè)施（地下實(shí)驗(yàn)室等）、投入重金開展研發(fā)是有核國(guó)家解決高放廢物問題的最重要特點(diǎn)和關(guān)鍵舉措。

高放廢物安全處置的研究開發(fā)具有長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。需要進(jìn)行長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和工程研究，方可實(shí)現(xiàn)安全處置的目標(biāo)。芬蘭于1976 年開始研究，到2022 年建成處置庫第一批處置巷道，歷經(jīng)46 年，足見其工作的長(zhǎng)期性。高放廢物地質(zhì)處置還具有成本較高、投資大、投資周期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。歐洲國(guó)家經(jīng)過測(cè)算，每噸乏燃料處置的平均成本為66.3 萬美元。

國(guó)外從1957 年開始高放廢物安全處置研究，經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，瑞典、法國(guó)、芬蘭等國(guó)家在高放廢物（乏燃料）處置方面取得了重大進(jìn)展。

芬蘭于2001 年確定了高放廢物（乏燃料）處置庫的場(chǎng)址，并在場(chǎng)址上建造地下實(shí)驗(yàn)室ONKALO。2015 年芬蘭政府頒發(fā)處置庫建造許可證。2021 年開始建設(shè)處置庫，開挖第一條處置巷道。到2022 年7 月，完成了首批五條處置巷道的開掘工作，并將于明年開始處置第一罐乏燃料（示范處置）。至此，芬蘭將成為世界上第一個(gè)處置乏燃料的國(guó)家。

瑞典早在1995 年就建成了Aspo 地下實(shí)驗(yàn)室。2009 年確定了處置庫場(chǎng)址(位于Forsmark 核電站附近)，2020 年政府批準(zhǔn)建造乏燃料處置庫。

法國(guó)采用核燃料閉式循環(huán)戰(zhàn)略，最終處置的是高放廢物玻璃固化體。2004 年建成Meuse/Haute Marne 地下實(shí)驗(yàn)室。于2015 年確定了處置庫場(chǎng)址。目前政府正在評(píng)審處置庫建造申請(qǐng)，預(yù)計(jì)2025 開始建造處置庫，2030 開始處置高放廢物。

但是，國(guó)外高放廢物廢物最終處置仍然面臨公眾接受、長(zhǎng)期資金籌措、研發(fā)不足、黨爭(zhēng)影響等困擾。

我國(guó)乏燃料、高放廢物 處置現(xiàn)狀

法國(guó)高放廢物處置庫示意圖

我國(guó)高放廢物主要源于核電站、國(guó)防核設(shè)施、反應(yīng)堆和將來可能建造的高溫氣冷堆。壓水堆乏燃料經(jīng)后處理將產(chǎn)生高放玻璃固化體、高放固體廢物和α 廢物。國(guó)防核設(shè)施生產(chǎn)和軍工核設(shè)施治理和退役，也將產(chǎn)生高放玻璃固化廢物、高放固體廢物和α 廢物。另外，需要進(jìn)行深地質(zhì)處置的還包括長(zhǎng)壽命中放廢物和高危險(xiǎn)度放射源。

我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置研究工作于20 世紀(jì)80 年代中起步。30多年來，在選址和場(chǎng)址評(píng)價(jià)、工程屏障、地下實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造、核素遷移、安全評(píng)價(jià)等方面均取得了顯著進(jìn)展。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院等單位開展了高放廢物處置庫場(chǎng)址預(yù)選研究，掌握了場(chǎng)址特性評(píng)價(jià)方法，篩選出甘肅北山為我國(guó)高放廢物處置庫首選預(yù)選區(qū)。在工程屏障方面，研制出綜合性能最好的高放廢物處置庫緩沖材料GMZ01。在地下實(shí)驗(yàn)室開發(fā)方面，篩選出北山新場(chǎng)為地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址，完成了地下實(shí)驗(yàn)室的工程設(shè)計(jì)，并于2021年6 月17 日正式開工建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室。

中國(guó)北山地下實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目是列入國(guó)家“十三五”規(guī)劃的百項(xiàng)重點(diǎn)工程之一，其開工建設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)高放地質(zhì)處置工作進(jìn)入了地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及研發(fā)階段。項(xiàng)目位于甘肅省酒泉市北山新場(chǎng)，采用螺旋斜坡道﹢三豎井﹢兩層平巷的主體架構(gòu)方案，在地下280米深和560 米深建設(shè)試驗(yàn)水平，用于開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。建成后，將成為世界上規(guī)模最大、功能最全、參與范圍最廣的地下實(shí)驗(yàn)室，將為填補(bǔ)我國(guó)在高放地質(zhì)處置技術(shù)地下現(xiàn)場(chǎng)研發(fā)平臺(tái)的空白，攻克高放廢物安全處置這一世界性難題，保障核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供無可替代的研發(fā)平臺(tái)。

目前地下實(shí)驗(yàn)室螺旋斜坡道已經(jīng)開挖到432 米，揭露出來的巖石極為完整，與預(yù)測(cè)結(jié)果完全一致。地下硐室的穩(wěn)定性也非常好。

為推進(jìn)高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)，2021 年1 月18 日，國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)設(shè)立高放廢物地質(zhì)處置創(chuàng)新中心。依托北山地下實(shí)驗(yàn)室，這一國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心是我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置領(lǐng)域的科技攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)際合作交流、人才培養(yǎng)的創(chuàng)新基地和重要平臺(tái)。中心既是面向國(guó)家戰(zhàn)略需求、匯聚國(guó)內(nèi)頂尖技術(shù)力量對(duì)高放廢物地質(zhì)處置領(lǐng)域進(jìn)行科技攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)際合作交流、人才培養(yǎng)的創(chuàng)新基地，也是面向世界，與各國(guó)開展高放廢物地質(zhì)處置技術(shù)合作，為安全處置高放廢物領(lǐng)域提供中國(guó)智慧和中國(guó)方案，擴(kuò)大我國(guó)在核領(lǐng)域的國(guó)際影響力、推進(jìn)核能可持續(xù)發(fā)展的新平臺(tái)。

盡管我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)取得了一系列重大進(jìn)展，但在技術(shù)方面，尚需進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ)。主要包括突破處置場(chǎng)址深部特征及適宜性評(píng)價(jià)、多場(chǎng)耦合和超長(zhǎng)時(shí)間尺度下多重屏障體系的長(zhǎng)期性能評(píng)價(jià)技術(shù)、處置容器材料、放射性核素遷移機(jī)制、處置系統(tǒng)長(zhǎng)期安全評(píng)價(jià)技術(shù)、處置庫建造技術(shù)等方面。

今后應(yīng)進(jìn)一步理順管理體制，做好資金籌措，穩(wěn)定投入科研經(jīng)費(fèi)，加大技術(shù)攻關(guān)，加大國(guó)際合作。尤其應(yīng)當(dāng)補(bǔ)足短板，為實(shí)現(xiàn)最終安全處置我國(guó)高放廢物的目標(biāo)建立堅(jiān)實(shí)的科學(xué)、技術(shù)和工程基礎(chǔ)。