[科普中国]-深地质处置

背景

长寿命核废料（包括乏燃料）必须长期同人类和环境隔绝。把这些废料存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存所（repository）是一种可行的方案。 国际裂变材料专门委员会(International Panel on Fissile Materials)曾表示：

“广泛接受的看法认为，乏燃料、核燃料再处理的高放射性废物以及钚废料需要在妥善设计的场所存放几万年到一百万年，以减少其放射性对环境的污染。同时，必须确保钚和高浓缩铀不被用于军事目的。一个基本的共识是，把乏燃料存放于地下几百米的储存场所要比将其堆放在地表更安全。”

非洲克洛天然核反应堆证实了天然地质构造可以有效地隔离放射性核废料。在其运转过程中，该反应堆共产生了5.4吨裂变产物、1.5吨钚以及其他超铀元素。这些钚和其他超铀元素至今仍存在于奥克洛的铀矿中，时间跨度长达20亿年。 考虑到该铀矿经常被地下水浸润，加之铀矿石并非以化学惰性形态存在（比如玻璃态），这相当不同寻常。

地质处置安全，技术上可行，不污染环境已经是专业人士由来已久的共识。但是，许多国家的公众对此仍有疑虑。 深地质处置支持者们面临的挑战之一是证明一个储存所必须长时间可靠，且将来可能的泄露不会对人类健康和环境造成影响。

核燃料再处理并不能减少深地质处置的必要性，但却能够减少核废料的体积以及中长期放射性和衰变热。另一方面，核燃料再处理也无法消除储存所选址的政治和社区风险。

深地质处置的含义高放废物的深地质处置2是指将固体形式的高放废物埋置在地下 500～1 000 m 的地质体中，即通过地表打竖井至深部、由竖井底部开凿水平坑道，再在水平坑道中打竖井或支坑道，作为废物的存放场所，最后进行封存，从而使之能长时间（至少 1万年）与人类生存环境隔离。这些坑道和竖井便构成地下处置库。

高放废物深地质处置库一般采用的是“多重屏障系统”设计,即把废物储存在废物容器中,外面包裹回填材料,再向外为围岩。一般把地下设施及废物容器和回填材料称为工程屏障,把周围的地质体称为天然屏障。

在这样的体系中,地质介质起着双重作用。既保护源项,也保护生物圈。具体地说,它保护着工程屏障不使人类闯入,免受风化作用;在相当长的地质时期内为工程屏障提供和保持稳定的物理和化学环境;对高放废物向生物圈迁移起滞留和稀释作用。各屏障之间具有相互加强的作用,其中天然屏障对于长期圈闭的作用至关重要。

国内研究进展1985年,核工业总公司提出了“中国高放废物深地质处置研究发展计划”,同年,高放废物处置库选址工作便开始起步。现已完成全国筛选、区域筛选及地区筛选工作3。

全国筛选工作主要完成于1985年至1986年参照其他国家选址工作经验,在全国区域地质资料综合分析、对比的基础上,通过各地区地质条件、地质构造、岩石类型、水文地质条件等、自然地理、经济地理及核工业布局等因素的进一步分析对比,在全国范围内选出了五大区域作为进一步开展工作的候选区,它们是西南地区、广东地区,内蒙地区、华东地区和西北地区。当时所考虑的处置库候选围岩包括花岗岩、凝灰岩、泥岩和页岩。区域筛选工作完成于1986年至1988年。在全国筛选的基础上,根据高放废物处置库选址条件和要求,进行了一系列内容广泛的调查研究和实地地质考察工作,从上述五大区域中筛选出21个小区,进一步研究。自1989年以来,我国高放废物处置库选址工作的重点转移到了某干旱地区,该区域气候干旱,年降水量仅为几十毫米,地表水和地下水都十分贫乏。地表为典型的荒漠,戈壁景观。这里人烟稀少,没有工业和农业活动,大面积分布的花岗岩岩体构成了良好的处置库围岩,具有建造高放废物处置库得天独厚的自然地理和经济地理条件。几年来,在这里开展了地震地质、构造地质、地壳稳定性、水文地质、工程地质方面的研究工作。初步研究结果表明,北山地区地质条件、水文地质条件十分有利于处置库的建造,值得在这里开展进一步的研究工作。

如前所述,高放废物深地质处置研究是一项综合性的研究工作,在过去的十几年中,我国除开展选址工作外,还开展了以下工作:

(1)国外地下实验室调研;

(2)国外地质处置系统性能评价方法调研;

(3)国外高放废物处置研究地球化学软件引进

及开发研究;

(4)放射性核素迁移实验研究;

(5)缓冲/回填材料力学、热学性能研究;

(6)高放废物处置库预选场地地学信息库建库研究。

这些工作的开展,大大缩短了我国高放废物地质处置研究领域与发达国家的距离,并为今后工作提供了必要的人才和技术储备

深地质处置的特点从形式上看，高放废物深地质处置的处置库也是一项深部大型地下工程，但这类地下工程与一般地下工程相比有其特点，概括地讲，表现在下列几个方面1：

（1）从时间跨度上来看，要求处置库的安全期限至少在 1 万年，这样长的时间尺度要求超越了一般意义下社会或技术活动所涉及的时间尺度，也使性能评价中不确定性成为一个重要的必须考虑的因素和研究领域；

（2）从作用因素上看，处置库不仅要经历开挖和运营期间的力学扰动，更重要的还将长时间受放射性辐射和衰变热的作用，因此，温度场成为一个重要的因素；

（3）从评价目标上看出，不仅要评价处置库的区域稳定性和围岩的力学稳定，特别重要的是还要证核素在其有害的年限内不致迁移到生物圈而危害人类生态环境，因此，化学场和核素迁移规律的研究具有特别重要的意义；

（ 4） 从 研究的空间范围看，由于要跟踪核素迁移到生物圈的途径并进行安全性评价，因此，其评价的空间范围不仅限于受机械扰动的围岩，更包括从处置库到核素释放到生物圈的整个地质体；

（5）从社会影响上看，由于核问题的敏感性和公众的反核情绪，高放废物处置库不仅是一项纯技术性的地下工程，更是一项政治和社会关注的工程，必须向公众和监管机构提供充分的论证；

（6）从工程数量看，一般一个国家首先考虑 1个全国性的处置库，因此工程数量少，工程积累的经验和借鉴的可能性相对少。

各国储存所的现状德国下萨克森的阿西二号盐矿座落于阿西山中，自1965年以来被用作研究用途。1967年到1978年放射性废物被储存在该矿中。有研究指出，1988年以来该储存所一直在泄露被铯-137、钚和锶等核素污染的盐水；但直到2008年6月这一发现才被公诸于世。

位于德国萨克森－安哈尔特州的莫斯雷本放射性废物储存所也是一座废弃的盐矿。1972–1998年此矿被用于储存核废料。2003年以来，该矿一共浇筑了480,000立方米的混凝土来稳定穹顶，否则盐穹可能塌方。

美国新墨西哥州的废物分离中试厂1999年正式运营。此厂位于卡尔斯巴德附近的地下盐层中。

有人曾提议在澳大利亚和俄罗斯建立国际高放射性废物储存所。但是，该消息在澳大利亚引发公众持续抗议，储存所的建设基本成为泡影。

1978年，美国能源部开始研究内华达核试验场附近的瑜伽山用于长时间地质储存乏燃料和高放射性核废料的可行性。此计划遭到了内华达州核计划局（亦称为“核废料计划办公室”）以及其它一些组织的法律挑战而严重拖延。奥巴马总统上台后，于2009年在其年度预算中拒绝向该计划拨款，并称其政府将考虑新的核废料处置战略。 2009年3月5日，美国能源部长朱棣文在美国参议院作证时说，瑜伽山作为核废料储存所已经不再是选项之一。至此，至少在奥巴马任内，瑜伽山储存所计划已经寿终正寝。

在德国，关于核废料最终储存所的政治辩论相当激烈， 特别是下萨克森格尔雷本（Gorleben）村村民激烈反对。在两德统一之前，格尔雷本村位于西德边境，人烟稀少，经济困顿。但在统一之后，该村几乎位于德国的中心地带。2010年，默克尔政府决定重新开始格尔雷本作为核废料储存所的早期研究工作。

在几个拟议建立深地质处置机构的国家中，芬兰的昂加洛乏燃料储存所最接近于投入使用。其第一批废料埋藏预定在2020年左右，现在还在等待最终批准。瑞典对乏燃料的深地质处置也走在前列。其国会认为，使用KBS-3技术埋藏乏燃料很安全。

2008年，英国环境、食品和农村事务部（Defra）发表了名为“安全管理核废料”的白皮书。同其它发达国家不一样的是，英国的计划强调自愿甚于地质结构的适用性。2012年6月，英国地质调查局找到了三处可能适合存放核废料的地质结构。2013年1月，英国将决定是否进行下一步。

高放废物深地质处置库选址高放废物深地质处置的工程屏障将在一定时间后(300～1000 a 后)失效，对废物的隔离最终要依赖天然屏障来完成；因此，选取一个有利的处置库库址是至关重要的3。

高放废物深地质处置库选址因素与研究内容核废物处置库天然屏障的有效性取决于处置库的地质构造稳定性、围岩的机械稳定性和地下水活动与核素迁移情况；因此，涉及到许多因素，要研究的内容很多。国际原子能机构建议选址的相关因素有地形、大地构造和地震、地下条件、地质构造、围岩的物理化学性质、水文和水文地质、未来自然事件、地质和工程简略条件和社会条件等共 9个方面。由于世界各国自然条件与实际情况的不同，各国根据各自的条件，在选址因素方面所考虑的因素及选址标准有所不同，如欧共体选址标准分为：岩石的物理化学性质、岩层、地质状态等 3 类共 14个方面；美国的选址则主要考虑场地规模、水文地质、地球化学、地质特征、构造环境、人类活动、地表特征、环境因素及潜在社会经济影响，我国的选址标准则又有所不同4。

选址过程无疑，选址过程是一个综合反复的过程。选址的一般程序是从大到小、由地表到深部，在众多的初选点中，经过工作，选出几个较好的预选点，后对这几个预选点进行场地特性评价，从中选取出1 个最合适的处置库场地。各国采用的选址过程并不完全相同，国际原子能机构 1982 年提出了一个 4阶段的选址过程，即规划与总体研究、区域概查、场址初选、场址确定，规定了各阶段的目的任务。各国实际采用的选址阶段与各阶段的任务有所区别，美国核废物处置库的选址分为 4 步：鉴别可能场地；鉴别一组适宜进行特性评价的场地；推荐进行特性评价的场地；场地特性评价并根据特性评价结果，推荐出建库场地。

研究与储存深地质处置已经有几十年的研究历史。实验室测试、探井已经积累了很多数据；建造和运营地下实验室并展开大规模存储实验也在进行中。 世界各国的主要地下研究机构见下表。

研究场所

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储存场所

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