浅析核废物深地质处置涉及的主要问题.doc

浅析核废物深地质处置涉及的主要问题引言伴随着核工业的生产研究以及核技术应用的普及和扩大，全世界每年产生的核废物或称放射性废物正逐步增加。按放射性水平分类核废物可划分为低放废物中放废物和高放废物。目前已有较成熟的技术对低中放废物进行最终安全处置，而对于高放废物由于其含有毒性极大半衰期很长的放射性核素对其安全处置是一个世界性难题。高放废物的最终处置是发展核电与核工业急需解决的问题，近40年来，经过国内外多方面研究公认的是基于“多重屏障原理”的深地质处置方法。即设置一系列天然和人工屏障于废物本身和生物圈之间，以增强处置的可靠性和安全性。这些屏障包括：废物包装(废物,固化材料,废物罐和可能的外包装),工程屏障(处置库工程建筑物和回填材料)和天然屏障(主要指地质介质本身)。高放废物的深地质处置实际上是将高放废物固化体放入地下一定深度（200 1 5 00m）的空洞中，固化体周围充填人工屏障（固化体包装容器与缓冲回填材料）,利用人工屏障与天然屏障（天然地质介质）阻滞放射性核素迁移，达到不危害生物圈的目的。安全处置高放废物战略重视保证核能工业可持续发展，保护人民健康，保护环境。它不仅提出了许多挑战性的科学和技术课，而且在一个更高的层面上对国家核能核废物国防和环境保护事业中大型科学研究的总体规划和组织实施经费保障及工程建设等提出了立法和政策方面的要求。在利用深部岩石洞室作为永久储存库方面，虽然科学家为之奋斗了几十年，迄今未获圆满解决。因为放射性核废物的地质处置是一个关系到国计民生多学科交叉的综合性问题，是一个涉及放射性化学、原子物理、水文地质学、水文地球化学、构造地质学、土木工程学多学科的复杂的系统工程。该交叉学科衍生出了诸多问题，下面简要介绍一下几个主要难题。处置库选址核废物最终处置场的选址设计论证施工和运行不能一蹴而就必须经过一个多阶段的反复探索和提高的过程。选址工作的基本目标是选择一个适合于进行高放废物处置的场址，并证明该场址能够在预期的时间范围内确保放射性核素与周围环境之间的隔离。使放射性核素对人类环境影响保持在立法机关规定的可接受的水平以下。一般的说，选址工作可分为4个阶段进行：(1)方案设计与规划阶段；(2)区域调查阶段；(3)场址性能评价阶段；(4)场址确认阶段。从某一阶段向下一阶段的过渡没有明显的界限，因为选址活动有许多工作相互重叠。此外，在每个阶段的工作中，均应考虑下一步更深入的工作。一般说来，随着整个选址工作的不断深入，资料的数量和精度都会不断的增加和提高，从而不断接近选择合适场址的总体目标。方案设计与规划阶段根据本国具体地质条件提出母岩类型(花岗岩黏土/页岩岩盐等)以及相应于不同母岩类型处置场的数学模型和基本设计参数(如最高限定温度和工程屏障的主要设计参数)，提出预选场址选址。方案设计与规划阶段的目标是确定选址工作进程的整体规划，并利用现有资料，确定出可供区域调查的候选岩石类型和可能的场址区。该阶段工作的另一部分内容是明确对处置设施所在场址的前景有影响的各种因素，这些因素应该从长期安全性、技术可行性、社会、政治和环境等方面加以确定。区域调查阶段的目标是在综合考虑前一阶段确定的选址因素基础上，圈定出可作为处置场址的地区。场址性能评价阶段对各预选场址进行各学科综合现场试验研究(主要是岩矿和构造地质水文地质地球物理和地球化学勘探及岩石力学)，排除不适合场址。根据科学结论和公众意愿选择最终场址。在环境对处置库的影响中要特别注重选址及其论证工作。场址特征评价阶段的目标是对某一个或若干个潜在场址进行研究和调查，从不同角度，特别是从安全角度证明这些场址能否被接受。该阶段应取得场址初步设计所需的信息。场址特征评价阶段要求掌握具体的场址资料，以确定处置场中与处置设施具体位置有关的场址特征和参数变化范围。这就需要进行场址勘查和调查，以便获得场址的实际地质、水文地质及环境条件等资料，其他与场址特征评价有关的资料，如运输线路、人口统计及社会学的某些问题，也应一并收集。该阶段的最终成果是圈定一个或若干个优选场址，以供进一步研究。因此，应就工作的全过程提交报告并附上所有资料(包括初步安全评价在内的场地分析工作在内的所有文件)。场址确认阶段的任务是就优选的场址进行详细的场址调查，其目的是证实优选场址的可靠程度，提供详细设计、安全分析、环境影响评价及申请许可证所必需的具体场址补充资料。此阶段还应按国家有关部门的规定进行环境评价。评价的内容可以十分广泛，其中包括拟建处置设施对公众健康、安全及环境的影响等等。也可以讨论如何避免或减少上述影响以及该处置设施产生的其他局部和区域性影响。显然选址工作是保障处置库长期安全性的一个极其重要的步骤。首先要选择合适的处置介质即围岩质地。其次要作好场址的各项论证工作，从区域调查场址初选场址详查场址确定，每一步都非常关键。因而选址工作必是一个长期且工作量繁重的步骤。总之，选址工作直接关系到未来处置库的安全性、实用性和经济性。这项工作涉及地质、地震、气象、水文、环境保护、自然地理、社会活动等多方面，是一项综合性很强的工作。在发达国家,高放废物地质处置研究已有几十年的历史,但由于问题的复杂性,至今还没有一个国家真正建成高放废物处置库,目前大都处于场址预选或场地性能评价阶段。环境问题评价处置库对环境乃至生物圈的影响，是高放废物处置一个核心的问题。这里所指的环境是广义上的环境概念，除高放废物处置库本身外，其他凡所包围的介质均是其环境。处置库运行过程中涉及的环境问题包括：（1）热源存在的影响，这是由高放废物中的放射性核素在衰变过程中放出衰变热所引起的，其作用相当于在地下介质场附加了一个热源。（2）与地下水的相互作用，地下水将缓慢地饱和缓冲回填材料（一般需21 年），进而腐蚀废物包装容器，终将使固化体中核素浸出。随着核素向地下水的迁移，尽管可为人工屏障与天然屏障所阻滞，但也有可能进入生物圈。因此地下水在此起两重作用：一是受处置库影响，被核素污染；二是作用于处置库，浸出核素进入生物圈。（3）对生物圈的影响，这里主要指核素自固化体浸出后，随地下水迁移至生物圈，对动植物和人造成的影响。因此需极力避免长衰变寿命核素进入生物链。（4）各种地质灾害及人为失误对处置库可能造成的影响，各种地质灾害如地震、火山爆发、断层活动、滑坡等可能破坏处置库之整体或部分结构，从而造成处置库放射性核素大量释出而严重污染周围环境。环境与处置库相互作用方面要注重多因素耦合作用的研究。高放废物处置涉及应力场、温度场、化学场与水势场的耦合作用，这些因素耦合作用的复杂性是没有任何一项研究课题遇到过的，因此需要相关学科的专家共同攻关。无论处置库与环境如何相互作用，保证处置库的长期安全性，使其对人类的影响减低到可以接受甚至可以忽略的水平始终是一个核心问题。缓冲/回填材料缓冲/回填材料作为高放废物处置库中的工程屏障材料，填充在废物容器和围岩之间，起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障和导热的作用。在金属容器外围设置一定厚度遇水膨胀非常致密且有极低的渗透性并有较强吸附性和良好传热性的人工黏土层该黏土层具有多重作用：避免金属容器与坚硬岩石直接接触以保护其结构强度；有极低的渗透性能显著地延缓核素迁移速度并延长其迁移时间(数百年至上千年)；对地下水和金属储存器实行化学隔离将废物衰变放出的热量从容器有效地传递到岩石圈。自20世纪80年代末世界上有关国家的核废物管理中心相继提出了使用不同的填充料，有的建议使用水泥但大多数建议使用膨润土或膨润土和骨料的混合物。目前大多数的缓冲材料的基本物理-化学特性已得到确定,也已进行了膨润土的矿物学、水力学和岩石力学性质的研究，以及膨润土对核素的吸附和扩散特性的研究，用膨润土或膨润土与其他骨料的混合物作填充材料已得到普遍的公认。但是对膨润土的地质化学方面的研究工作，从目前的研究状况来看，由于试验周期较长和试验控制困难，大部分工作与理论模型建立和数值模拟分析有关，可以利用的试验数据却很少，因而还需要补充大量的试验工作。对于膨润土的热水力的耦合分析，目前大部分工作所涉及的是饱和土在100以下的特性，很少涉及到高于100和非饱和状态的特性。在温度低于100和土为饱和的条件下，从理论上和试验上都取得了一定的成果，但对于高于100和非饱和状态了解甚少。目前已经开发的数值分析方法可用来分析解释一些工程现象，但其验证还需试验数据作支撑，相关课题的研究尚需努力和加强。岩石力学问题岩石力学和岩石工程是放射性废物地质处置问题的一个极其重要的方面。放射性废物地下处置系统的设计、现场址质调查、工程设计和施工运行以及系统长期安全性评估均含有重要的岩石力学和岩石工程内容。岩石力学是成功地解决地下核废物处置问题的理论基础和技术手段之一。它不仅在处置场的设计和施工中起到决定性作用，而且对处置场的总体特性分析和环境安全分析(即最终安全结论)起着不可替代的作用。因而岩石力学在放射性废物地质处置的研究和发展规划中有不可取代的地位据。对于放射性废物处置岩石力学和工程学科的主要任务是(1) 提供所涉及的岩土体材料(包括支护材料)的本构模型所涉及的力学参数以及他们在有关的物理化学过程中的变化范围和可信度；(2)提出原岩应力的测量方法和数据可信度评估方法；(3) 提供岩石力学和工程学科所需要的数学模拟方法和计算机程序；(4) 提出岩石力学和工程学科所需要和所产生的数据信息管理方法手段；(5) 提供可靠的地质处置场并根据多种可选初步设计方案及可行性论证结论；(6) 提供涉及其他领域的耦合过程模型所需参数及其测定方法或方案；(7) 根据岩石力学与工程的要求提出现场勘察研究和规划的有关内容；(8) 地下实验室的选址规划建设以及岩石力学试验项目的设计和实施；(9) 根据现场勘察和地下实验室研究得的结论提供处置场总体特性和环境安全分析所需的岩石力学有关的模型参数和结论；(10) 最终核废料处置场施工设计施工支护试运行正常运行和稳定性监测；(11) 提供处置场最终封闭后的有关岩石力学的现场监测内容设计方案和实施技术。地下水文地质在高放废物深地质处置中，地下水是核素迁移的重要媒介。因此，水文地质工作是处置库选址中的主要内容之一。该项研究工作是复杂的，主要包括：开展区域,地段和场址三个尺度上的地下水流场,水文地球化学,同位素水文地质调查,地表水入渗机制，地下水补给-径流-排泄特征,地下水演化趋势,地下水长期动态监测,地下水流场数值模拟研究等。研究核素在地下水中的化学反应行为。地下水的示踪技术，深部地下水取样技术，区域地下水流模拟与多参数综合分析的计算机模拟技术。高放废物处置库预选场地水文地球化学模拟。此外在处置库开挖建造过程中，会对地下介质场产生了扰动，影响地下水环境。因开挖建造乃至接收废物至处置库封闭前，必须抽干处置库周围之地下水。二是对处置库周围岩石的破坏作用。因处置库开挖改变了地下介质场原始应力分布，引起应力重分布，从而造成围岩介质之变形，这种变形在今后可能影响到地下水流动、热量传递及化学物质之迁移等。直至处置库建造及承装废物后将被封闭，此时地下水从抽干状态逐渐恢复，在此过程中，地下水将缓慢地饱和缓冲回填材料（一般需21 年）,进而腐蚀废物包装容器，终将使固化体中核素浸出。随着核素向地下水的迁移，尽管可为人工屏障与天然屏障所阻滞，但也有可能进入生物圈。因此地下水在此起两重作用：一是受处置库影响，被核素污染；二是作用于处置库，浸出核素。可以说地下水是高放废物处置库最为活跃的因素，核素的释放与运移都离不开地下水的作用，因此将废物处置在地下水作用不太活跃或者完全不活跃的地区，是高放废物处置库选址工作中的一个重要方面。这方面的工作包括：将废物处置在一定的深度，相对于浅部来说，地下水相对不活跃；考虑合适的处置介质；采用工程屏障阻滞地下水的进入并具吸附核素功能等。当然地下水的运动也影响到热量迁移，主要由水的自然对流与被迫对流引起。深地层施工由于处置库要建在离地表数百米，甚至近千米的深底层中，这对如何在深层开展大规模的岩土挖掘工程也提出了挑战。实际施工时由地表打竖井至深部(一般在地表500m以下),而后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。地下处置库便是由这些坑道,竖井构成的工程设施。施工过程中必须解决好运料、排水、通风、岩壁支护、安全的问题。或许人们可以从以往的大型水电站地下厂房开挖、隧道开挖中取得不少经验。从现有的成熟技术来看，今后可选用盾构隧道施工的方法建造地下处置库。处置库的监测保证处置库运行的长期安全性是高放废物处置最为核心的问题。人们期望地质库的使用寿命能达一万年甚至更长的时间。因此长期的地质、安全监测工作在放射性废物地质处置库的运行中占有重要的地位。由于未来可能的各种地质灾害如地震、火山爆发、断层活动、滑坡等可能破坏处置库之整体或部分结构，从而造成处置库放射性核素大量释出而严重污染周围环境。对这一点，主要通过科学合理地选择场址，以避开这些灾害易发区来实现。同时需要对发生这些灾害的概率及环境影响进行评价，必要时指导采取补救措施。结束语高放废物是核能事业发展的必然产物。其毒性大,寿命长,是非常危险的废物,如果处置不当,将会对人类生存环境及人尖本身的生命和健康构成严重威。核废物固然危险,但只要以科学的态度对待它,以科学的方法处置它,核废物就没有什么可怕的。现在人们已经找到了使其与人类生存环境隔离数万年乃至更长时间的办法。这