淺析核廢物深地質(zhì)處置涉及的主要問題

1、淺析核廢物深地質(zhì)處置涉及的主要問題引言伴隨著核工業(yè)的生產(chǎn)研究以及核技術(shù)應(yīng)用的普及和擴大，全世界每年產(chǎn)生的核廢物或稱放射性廢物正逐步增加。按放射性水平分類核廢物可劃分為低放廢物中放廢物和高放廢物。目前已有較成熟的技術(shù)對低中放廢物進(jìn)行最終安全處置，而對于高放廢物由于其含有毒性極大半衰期很長的放射性核素對其安全處置是一個世界性難題。高放廢物的最終處置是發(fā)展核電與核工業(yè)急需解決的問題，近40年來，經(jīng)過國內(nèi)外多方面研究公認(rèn)的是基于“多重屏障原理”

2、的深地質(zhì)處置方法。即設(shè)置一系列天然和人工屏障于廢物本身和生物圈之間，以增強處置的可靠性和安全性。這些屏障包括：廢物包裝(廢物固化材料廢物罐和可能的外包裝)工程屏障(處置庫工程建筑物和回填材料)和天然屏障(主要指地質(zhì)介質(zhì)本身)。高放廢物的深地質(zhì)處置實際上是將高放廢物固化體放入地下一定深度（200～1500m）的空洞中，固化體周圍充填人工屏障（固化體包裝容器與緩沖回填材料）利用人工屏障與天然屏障（天然地質(zhì)介質(zhì)）阻滯放射性核素遷移，達(dá)到不危害

3、生物圈的目的。安全處置高放廢物戰(zhàn)略重視保證核能工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人民健康，保護(hù)環(huán)境。它不僅提出了許多挑戰(zhàn)性的科學(xué)和技術(shù)課，而且在一個更高的層面上對國家核能核廢物國防和環(huán)境保護(hù)事業(yè)中大型科學(xué)研究的總體規(guī)劃和組織實施經(jīng)費保障及工程建設(shè)等提出了立法和政策方面的要求。在利用深部巖石洞室作為永久儲存庫方面，雖然科學(xué)家為之奮斗了幾十年，迄今未獲圓滿解決。因為放射性核廢物的地質(zhì)處置是一個關(guān)系到國計民生多學(xué)科交叉的綜合性問題，是一個涉及放射性化學(xué)、原

4、子物理、水文地質(zhì)學(xué)、水文地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、土木工程學(xué)多學(xué)科的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。該交叉學(xué)科衍生出了諸多問題，下面簡要介紹一下幾個主要難題。處置庫選址核廢物最終處置場的選址設(shè)計論證施工和運行不能一蹴而就必須經(jīng)過一個多階段的反復(fù)探索和提高的過程。選址工作的基本目標(biāo)是選擇一個適合于進(jìn)行高放廢物處置的場址，并證明該場址能夠在預(yù)期的時間范圍內(nèi)確保放射性核素與周圍環(huán)境之間的隔離。使放射性核素對人類環(huán)境影響保持在立法機關(guān)規(guī)定的可接受的水平以下。一般的

5、說，選址工作可分為4個階段進(jìn)行：(1)方案設(shè)計與規(guī)劃階段；(2)區(qū)域調(diào)查階段；(3)場址性能評價階段；(4)場址確認(rèn)階段。從某一階段向下一階段的過渡沒有明顯的界限，因為選址活動有許多工作相互重疊。此外，在每個階段的工作中，均應(yīng)考慮下一步更深入的工作。一般說來，隨著整個選址工作的不斷深入，資料的數(shù)量和精度都會不斷的增加和提高，從而不斷接近選擇合適場址的總體目標(biāo)。方案設(shè)計與規(guī)劃階段根據(jù)本國具體地質(zhì)條件提出母巖類型(花崗巖黏土頁巖巖鹽等)以及

6、相應(yīng)于不同母巖類型處置場的數(shù)學(xué)模型和基本設(shè)計參數(shù)(如最高限定溫度和工程屏障的主要設(shè)計參數(shù))，提出預(yù)選場址選址。方案設(shè)計與規(guī)劃階段的目標(biāo)是確定選址工作進(jìn)程的整體規(guī)劃，并利用現(xiàn)有資料，確定出可供區(qū)域調(diào)查的候選巖石類型和可能的場址區(qū)。該階段工作的另一部分內(nèi)容是明確對處置設(shè)施所在場址的前景有影響的各種因素，這些因素應(yīng)該從題遇到過的，因此需要相關(guān)學(xué)科的專家共同攻關(guān)。無論處置庫與環(huán)境如何相互作用，保證處置庫的長期安全性，使其對人類的影響減低到可以接

7、受甚至可以忽略的水平始終是一個核心問題。緩沖回填材料緩沖回填材料作為高放廢物處置庫中的工程屏障材料，填充在廢物容器和圍巖之間，起著工程屏障、水力學(xué)屏障、化學(xué)屏障和導(dǎo)熱的作用。在金屬容器外圍設(shè)置一定厚度遇水膨脹非常致密且有極低的滲透性并有較強吸附性和良好傳熱性的人工黏土層該黏土層具有多重作用：避免金屬容器與堅硬巖石直接接觸以保護(hù)其結(jié)構(gòu)強度；有極低的滲透性能顯著地延緩核素遷移速度并延長其遷移時間(數(shù)百年至上千年)；對地下水和金屬儲存器實行化

8、學(xué)隔離將廢物衰變放出的熱量從容器有效地傳遞到巖石圈。自20世紀(jì)80年代末世界上有關(guān)國家的核廢物管理中心相繼提出了使用不同的填充料，有的建議使用水泥但大多數(shù)建議使用膨潤土或膨潤土和骨料的混合物。目前大多數(shù)的緩沖材料的基本物理化學(xué)特性已得到確定也已進(jìn)行了膨潤土的礦物學(xué)、水力學(xué)和巖石力學(xué)性質(zhì)的研究，以及膨潤土對核素的吸附和擴散特性的研究，用膨潤土或膨潤土與其他骨料的混合物作填充材料已得到普遍的公認(rèn)。但是對膨潤土的地質(zhì)化學(xué)方面的研究工作，從目前

9、的研究狀況來看，由于試驗周期較長和試驗控制困難，大部分工作與理論模型建立和數(shù)值模擬分析有關(guān)，可以利用的試驗數(shù)據(jù)卻很少，因而還需要補充大量的試驗工作。對于膨潤土的熱–水–力的耦合分析，目前大部分工作所涉及的是飽和土在100℃以下的特性，很少涉及到高于100℃和非飽和狀態(tài)的特性。在溫度低于100℃和土為飽和的條件下，從理論上和試驗上都取得了一定的成果，但對于高于100℃和非飽和狀態(tài)了解甚少。目前已經(jīng)開發(fā)的數(shù)值分析方法可用來分析解釋一些工程現(xiàn)

10、象，但其驗證還需試驗數(shù)據(jù)作支撐，相關(guān)課題的研究尚需努力和加強。巖石力學(xué)問題巖石力學(xué)和巖石工程是放射性廢物地質(zhì)處置問題的一個極其重要的方面。放射性廢物地下處置系統(tǒng)的設(shè)計、現(xiàn)場址質(zhì)調(diào)查、工程設(shè)計和施工運行以及系統(tǒng)長期安全性評估均含有重要的巖石力學(xué)和巖石工程內(nèi)容。巖石力學(xué)是成功地解決地下核廢物處置問題的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段之一。它不僅在處置場的設(shè)計和施工中起到?jīng)Q定性作用，而且對處置場的總體特性分析和環(huán)境安全分析(即最終安全結(jié)論)起著不可替代的作

11、用。因而巖石力學(xué)在放射性廢物地質(zhì)處置的研究和發(fā)展規(guī)劃中有不可取代的地位據(jù)。對于放射性廢物處置巖石力學(xué)和工程學(xué)科的主要任務(wù)是(1)提供所涉及的巖土體材料(包括支護(hù)材料)的本構(gòu)模型所涉及的力學(xué)參數(shù)以及他們在有關(guān)的物理–化學(xué)過程中的變化范圍和可信度；(2)提出原巖應(yīng)力的測量方法和數(shù)據(jù)可信度評估方法；(3)提供巖石力學(xué)和工程學(xué)科所需要的數(shù)學(xué)模擬方法和計算機程序；(4)提出巖石力學(xué)和工程學(xué)科所需要和所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息管理方法手段；(5)提供可靠的地

12、質(zhì)處置場并根據(jù)多種可選初步設(shè)計方案及可行性論證結(jié)論；(6)提供涉及其他領(lǐng)域的耦合過程模型所需參數(shù)及其測定方法或方案；(7)根據(jù)巖石力學(xué)與工程的要求提出現(xiàn)場勘察研究和規(guī)劃的有關(guān)內(nèi)容；(8)地下實驗室的選址規(guī)劃建設(shè)以及巖石力學(xué)試驗項目的設(shè)計和實施；(9)根據(jù)現(xiàn)場勘察和地下實驗室研究得的結(jié)論提供處置場總體特性和環(huán)境安全分析所需的巖石力學(xué)有關(guān)的模型參數(shù)和結(jié)論；(10)最終核廢料處置場施工設(shè)計施工支護(hù)試運行正常運行和穩(wěn)定性監(jiān)測；(11)提供處置場