早立万年大计 推进高放废物处置

来源:世界核地质科学杂志  日期:2013-02-20

    我国高放废物地质处置的研发工作自1985年正式启动以来,已有了长足的进展:研发队伍从无到有、从小到大;经费的投入有了大幅度的提升;区域和地区(地段)选址工作获得了很大进展;选址工作的相关法规正在建立和完善;高放废物处置的研发工作已正式列入国家规划;国际协作得到了广泛开展。这些为我国今后该项研发工作的大发展提供了很好的基础。为了更好地开展我国高放废物处置的研发工作,本文提出几点建议,供业内有关人士参考。
  高度重视高放废物处置的安全性问题
  由于高放废物的特殊性,高放废物处置库不同于一般地下工程设施,高放废物的特性不同于低、中放废物,高放废物处置库选址不同于核电站选址,深地质处置不同于近地表处置,因此,要高度重视高放废物处置的安全性问题,牢牢把握安全性这条主线。
  高放废物处置库不同于一般地下工程设施
  目前国际上公认的高放废物处置方案是地下工程处置。这类处置库与一般地下工程设施,如地下油库、地下军事指挥部、地下武器库和进行核物理试验的地下实验室等不同,它具有如下明显的特点:处置库中堆放的高放废物或(和)乏燃料具有强放射性、高放射毒性、长半衰期和高释热率等特点,虽然它在废物中所占体积甚小,但却占全部废物所有放射性的99%;处置库近场有放射性热效应,同时对周围的固体介质(包括天然屏障和人工屏障)会引起辐射损伤,对流体介质(主要是地下水)产生辐射分解,影响处置库系统天然屏障和人工屏障的稳定性,影响地下水的物理化学性质;处置库中的废物安全处置期长达万年以上,这是人类历史上要求寿命最长的一项地下工程。
  高放废物的特性不同于低、中放废物
  高放废物主要是指乏燃料经后处理产生的高放废液及其固化体。对不进行后处理的国家,高放废物也包括乏燃料。
  由于高放废物中的放射性核素具有强放射性、高放射毒性、长半衰期和高释热率等特点,一般公认为宜处置在地下500米或更深的稳定的地质建造中。根据国外已有的经验,处置库选址工作一般需耗时几十年。同时处置安全期长,至少要万年以上。而低中放废物毒性相对较低,半衰期也较短,要求的处置安全期一般仅为三五百年,其处置场的选址时间一般只需几年,且该类废物一般都处置在地表或近地表处,如法国的芒什和我国的西北处置场,但也有一些处置在地下深部,如德国的Asse。当然,属于低中放废物的α废物也需要进行深部处置,如美国的WIPP。
  因此,低中放废物处置场的选址工作要远比高放废物处置库的选址工作容易得多,故不少国家都拥有自己的低中放废物处置场,就连在开展处置库选址工作十分困难的日本,也有自己的低中放废物处置场。但对高放废物处置库的场址,至今只有极少数国家被确认。
  高放废物处置库选址不同于核电站选址
  核电站的安全性极为重要,它涉及核电站周边人们的健康与安全。而处置库与核电站相比还具有两点明显不同:一是核电站运行时间短,只有几十年,而处置库寿命长,一般在万年以上,有的国家甚至要求达百万年之久;二是处置库一般贮存了一个国家所有核电站的高放废物和乏燃料,其总比活度要远比单个核电站的放射性总比活度大。因此,处置库在选址方面的要求比核电站要高。
  深地质处置不同于近地表处置
  核废物的浅部和深部处置是由各类废物自身的特点所决定的。浅部处置如果出了事故,易于人工干预;而深部处置一般要比浅部处置更为安全,但如果一旦出了事故,则难以进行人工干预,其产生的后果更难预料。
  选择一个安全稳定的场址
  处置库选址应考虑众多因素,除自然因素(如地质、水文地质和工程地质)外,还与社会、政治、经济和技术等诸多因素有关,因此,一个处置库场址的选定是一项长期而复杂的工作。此处仅谈谈选址的自然条件。
  处置库为了安全处置高放废物,一般采用多重屏障系统,包括天然屏障和人工屏障。天然屏障一般指的是处置库围岩,而人工屏障又称工程屏障,一般指的是废物体、废物罐、外包装和回填/缓冲材料。这里应该明确,一个处置库的安全性,天然屏障是主要的,人工屏障是弥补天然屏障的某些不足而采取的人工措施。要使这些多重屏障系统能完好地发挥作用,必须有一个重要的前提条件,即处置库场址必须选在一个区域地壳稳定的地区。我国目前正处于区域预选和地区(地段)预选阶段,因此,在现阶段应以查明场址区域地壳稳定性问题为首要任务。只有在此研究基础上才能谈及处置库围岩的选择,以及场址的水文地质、工程地质、岩石力学和工程建造等有关问题的研究。
  美国国家航空航天局收集的资料显示,日本“3·11”强震使日本本州岛向东移动了大约3.6米,使地球自转加快了1.6μs,地轴移动了6μ。日本国土地理院也宣布,由于这次地震,位于震中西北部的宫城县牡鹿半岛向震中所在的东南方向移动了约5.3米,同时下沉约1.2米,这是日本有观测史以来最大的地壳变动记录。因此,为了人类的健康生活,在处置库选址时应首先查明场址的区域地壳稳定性问题,因为地震引起的对处置库的破坏,通常是难以用加强人工屏障的方法来弥补的。
  高放废物处置方案确定的影响因素
  高放废物处置方案的确定应考虑多种因素,包括处置库系统中辐射防护剂量标准的确定和环境评价时间尺度的确定、处置库施工方案、处置后的废物回取与否以及地下实验室的建立等。
  处置库系统中辐射防护剂量标准的确定和环境评价时间尺度的确定
  美国对尤卡山候选处置库系统的环境评价时间尺度以前定为万年,后来又主张定为百万年;瑞典对Forsmark候选处置库系统的环境评价时间尺度定为十万年。那么中国对未来处置库系统的环境评价时间尺度定为多少年?为什么要提这个问题,因为如果这个问题的答案不确定,处置库场址的安全分析和环评工作就无法进行,最后会导致场址评价工作无法完成。由于环评时间尺度的确定与处置系统中辐射防护剂量标准的确定有关,因此,应对这两个问题同时进行研究和解决。
  处置库施工方案
  入口工程采用竖井还是斜道施工?竖井施工有几个?处置库深度是多少?整个工程的开掘方案是什么?这些问题不明确,处置库的概念设计则无法进行。
  处置后的废物回取与否
  放射性废物中“废物”的概念是相对的,这与当时的技术水平、国家急需情况和经济成本等因素有关。在2000年左右,美国针对尤卡山候选处置库,首先提出处置后的高放废物及乏燃料经300年后要回取的方案。这个方案在欧洲有些国家(如法国和瑞典等)产生了一定程度的反响,他们也在各自国家的地下实验室中进行了一些相应的实验研究,但还未列入国家的正式处置方案之中。
  由于尤卡山废物处置采用的是废物处置后可回取的方案,因而在处置过程中不用回填/缓冲材料,所以美国自2000年以后,中止了以前与瑞典一样进行大规模的回填/缓冲材料的研究工作,而开始研究废物罐外的防滴水罩问题。对于这些问题,我们会采用哪种办法?早明确要比晚明确好,要尽量少走弯路,避免不必要的损失。
  地下实验室的建造
  处置库场址的最终确认是通过被选定在处置库场址上的特定地下实验室的研究工作中得到最终实现的。如美国尤卡山场址的ESF和瑞典于2013年将在Forsmark处置库场址上建造的地下实验室就属于此类地下实验室。普通地下实验室并不位于被选定的处置库场址上,由于地质情况因地而异,因此,由它而获得的参数不能作为处置系统性能评价的直接依据,也就是说,普通地下实验室在最终确认场址方面不能替代场址特定地下实验室,因为两者各有自己的功能和定位。
  普通地下实验室自1965年起已陆续开发了许多个,它的主要任务是进行方法学研究,初步为处置库系统性能评价提供数据,同时在培养人才、积累经验和加快场址特定地下实验室研究工作进程方面也起到了积极作用。因此,如果国家经济条件允许,在我国先成立一个普通地下实验室也未尝不可,比如在日本这类地下实验室就有5个,而且有的规模还不小,如瑞浪地下实验室深达1000米,幌延地下实验室有3个竖井。不少业内人士指出,既然是建普通地下实验室,国外这类地下实验室又很多,何必要重复他人工作,可派人去有关国家学习相关经验。笔者认为,瑞士和日本等国也都派人去加拿大和瑞典等地学习过地下实验室的研发经验,但这些国家并未因此而中止各自国家普通地下实验室的研发工作,由此可见,他们执行的是自力更生为主,外派学习为辅的方针。总之,在何时建造地下实验室,建成何种类型的地下实验室,国内业内人士意见尚不统一,这需要决策机构来进行最后裁定。
  加快推进高放废物处置研发还应关注的其他问题
  加快推进高放废物处置研发工作还应关注立法、审管机构完善、专家委员会设立以及统筹决策等相关工作。
  立法问题
  由于我国高放废物处置的研发工作起步较晚,还缺乏相关的规定、导则或标准,现在有关部门虽做了一些努力,但整个高放废物处置研发工作的立法工作仍处于滞后状态,这方面美国走在我国前面,做了不少工作,可以借鉴。
  完善审管机构
  现在我国高放废物处置研发工作的审管机关虽已初步建立,但还不完善,如阶段性工作完成之后,国家应设有专门机构对其进行评审,并实行许可证制度。
  建立国家级专家委员会
  国外不少国家都建有全国性的专家委员会,其成员是固定的,都是国内核废物处置领域各相关方面的资深专家。这些成员是由高级政府部门遴选的(如加拿大)或由总统直接任命的(如美国)。他们负责为政府领导机关的决策提供高放废物处置方针、政策和实施方案等方面的建议。目前我国还没有这类专设的专家委员会,若有此机构,将有助于我国高放废物处置事业的更好发展。
  统筹安排与分步决策
  研发工作如果没有统筹安排(如无顶层设计或性能评价指导大纲总体设计等)就会导致研发工作的一定盲目性,导致有些单位无序争报申请项目,造成研究项目重复。但要完成此项工作,也并非易事,它需要各行各业熟悉高放废物处置研发工作的专家参与。现在的问题是,我国至今还没有一个属于国家层面上完善的顶层设计。如果有了此类设计,今后我国的五年规划和年度计划的安排会做得更加有序和协调,这将促使我国高放废物处置事业更加稳健而快速地发展。
  由于人们对事物的认知是通过不断实践而加深,因此,顶层设计也要随着时间的推移而进行不断修改和完善。
  近年来,IAEA在文献中多次强调研发工作的分步决策思想,这是符合认识论原理和高放废物处置研发工作发展的客观规律的。
  分步决策要求研发工作要分阶段进行,每个阶段都要有明确的目标、任务和具体实施方案。否则,研发阶段就有可能发生错位或交错进行,把不该安排在这一阶段的项目安排在这一阶段,或把该安排在这一阶段的项目未安排在这一阶段,这样就会延误整体研发工作的进展。如现阶段应重点突出选址工作,首先要解决处置库选在什么地方,这样才能为后续工作创造条件,打好基础。
  加强黏土岩地区的选址工作
  目前,我国花岗岩地区的研发程度要远高于黏土岩地区,如果黏土岩地区的研发工作迟迟不能加大投入力度,势必会影响我国选址工作的整体进程,因为场址的选定是在对比研究中完成的。(核工业北京地质研究院研究员级高级工程师徐国庆)

 

推进高放废物处置

早立万年大计 推进高放废物处置 来源:世界核地质科学杂志  日期:2013-02-20 我国高放废物地质处置的研发工作自1985年正式启动以来,已有了长足的进展:研发队伍从无到有、从小到大;经

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