徐國慶

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

關于地下實驗室分類的討論

徐國慶

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

論述了現(xiàn)有的地下實驗室的分類，對普通地下實驗室與特定場址地下實驗室的主要特征進行了對比分析，論述了各國地下實驗室的研究概況，對特定場址地下實驗室的概念進行了討論。鑒于在現(xiàn)行的地下實驗室分類中，對特定場址地下實驗室的定義似乎界定過寬，因為有些該類型的地下實驗室，缺乏明確的歷史定位，最終沒有起到特定場址地下實驗室應起的作用。筆者建議，只有建在經(jīng)本國政府批準的最終處置庫場址上的地下實驗室，才可稱作為特定場址地下實驗室，如美國的WIPP和ESF以及芬蘭的ONKALO。因為只有這類地下實驗室，才能真正起到論證處置庫場址適宜性和高放廢物處置方案可行性的作用。

核廢物地質處置；地下實驗室；普通地下實驗室；特定場址地下實驗室

1 地下實驗室分類

地下實驗室一詞，是地下研究（或巖石）實驗室（Underground Research（or Rock）Laboratory，URL）的簡稱，它并非僅見于核廢物地質處置領域，它同時也廣泛見于礦業(yè)開采、石油和CO2儲存，以及與現(xiàn)代科學（特別是粒子加速器）和工程實驗等有關的各領域［1-3］。不過本文僅討論與核廢物地質處置有關的地下實驗室。

何謂地下實驗室？簡言之，地下實驗室就是模擬處置庫條件而建造的地下實驗研究設施，其目的是論證處置庫場址的適宜性和高放廢物處置方案的可行性。

筆者在20世紀80年代曾根據(jù)不同的分類原則對地下實驗室進行過分類［4］，其中有一個分類是按地下實驗室與處置庫關系分為單純做實驗研究用的地下實驗下室 （如Lac du Bonnet、Stripa等）和以后可直接發(fā)展成為處置庫的地下實驗室，如德國的Gorleben（這是20世紀80年代的安排，以后這種安排發(fā)生變化），后來有人把前者稱為普通地下實驗室（Generic underground research laboratory）， 后者稱為特定場址地下實驗室（Site specific underground research laboratory）。

按IAEA表述［5］， “普通地下實驗室是建于或開發(fā)于不考慮作為放射性廢物處置的預選場址的地方”。它可以建在：

（1）已有地下設施中，例如礦山（如Stripa、Asse、 Amélie、 Tono、 Kamaishi和 Fanay）和鐵路、 堤壩以及公路的隧道中 （如GTS、Tournemire、研究坑道、G-坑道、Climax和Mont-Terri URL）；

（2） 新開發(fā)的場址上 （如 ?sp? HRL和Lac du Bonnet URL）。

按OECD/NEA表 述［6］： 普 通 地 下實驗室為 “在不用作廢物處置的場址上開發(fā)的旨在研究和實驗的設施，但可為它處提供支持處置的信息”。

這兩個國際組織對普通地下實驗室的定義總體上是一致的，即普通地下實驗室是建在今后不作為處置庫場址上的地下實驗室。

按IAEA表述［5］， “特定場址地下實驗室被定義為位于深部處置庫系統(tǒng)的特定 （但不一定是預選的）場址，同時考慮到預選圍巖建造情況 （如 HADES-URF、Gorleben、 Konrad、Yucca Mountain-ESF 和 Bure URL）”。

按OECD/NEA 表 述［6］： 特 定 場 址 地下實驗室是 “建于作為廢物處置預選址上的設施，其實它可能是場址上處置庫開發(fā)的先驅部分”。

由上可見，所謂普通地下實驗室，就是不建在預選場址（Potential site）上的地下實驗室，而建在預選場址上或最終場址上的地下實驗室皆稱為特定場址地下實驗室。

雖然普通地下實驗室的選址工作具有很大的機動性和靈活性，但它也不是任意選定的，下列條件在普通地下實驗室選址時也應考慮：

（1）所選場址與所設想的處置庫場址在地質條件上具有類比性，特別在巖性上具有類比性。如瑞典的?sp?地下實驗室和加拿大的Lac du Bonnet地下實驗室都建在花崗巖中，因為這兩個國家都把花崗巖選定為處置庫圍巖。

（2）所選場址與所設想的處置庫場址在自然環(huán)境方面具有相似性，特別在地貌和氣候方面。因為前者影響地下實驗室入口工程的選擇（無論是平巷、斜坡坑道，還是豎井），后者影響地區(qū)的水文地質條件和風化殼發(fā)育的類型及其深度。

（3）盡量設在核研究中心附近，這樣便于工作和節(jié)省投資。如加拿大的Lac du Bonnet和比利時的HADES地下實驗室，它們的地下實驗室緊鄰其地面實驗室。

（4）有較好的交通、水電和生活保障條件，否則這些要另行投資建設。

普通地下實驗室在發(fā)展過程中具有下列特點：

（1）早期地下實驗室研究多利用舊工程，如舊礦山、已有隧道，這樣投資少、易起步，如美國、德國、日本、瑞典和瑞士等。但隨后發(fā)現(xiàn)利用舊工程有它的局限性（如工程破壞了原始的地質環(huán)境），因此，后建的地下實驗室多是新開挖的，如瑞典的?sp?，日本的Mizunami和Honorobe等。

（2）從單一的實驗到綜合性多項實驗。早期開展的地下實驗室實驗方法較單一，都是進行加熱試驗，如1965年美國和德國當時所做的那樣。但20世紀70年代以后，實驗內容逐步增多，以滿足處置庫系統(tǒng)性能評價收集各類參數(shù)之所需。

（3）實驗規(guī)模越來越大。早期實驗大都局限于地下工程的某一部分，而現(xiàn)代不少實驗則擴大至整個坑道，進行全斷面的1∶1試驗。

人們認識到，普通地下實驗室有自己的歷史定位，它多在高放廢物地質處置研發(fā)計劃早期的處置庫場址的預選階段進行，而特定場址地下實驗室則是在高放廢物地質處置研發(fā)計劃后期在確定處置庫預選場址或最終場址后進行。如果說特定場址地下實驗室的研發(fā)工作是處置庫建造、運行和封閉工作的預演，那么也可以說，普通地下實驗室的研發(fā)工作，是特定場址地下實驗室研發(fā)工作的預演，前者為后者積累經(jīng)驗，以加速后者研發(fā)工作的順利進行。

表1為普通地下實驗室與特定場址地下實驗室的主要特點對比。

2 各國地下實驗室簡介

高放廢物地質處置的研發(fā)工作始于1957年［7］，而地下實驗室的研發(fā)工作始于 1965年［8］，這說明地下實驗室的研發(fā)工作至今已有45年歷史，積累了不少理論和實踐經(jīng)驗，IAEA和OECD/NEA曾多次召開專家咨詢會總結這方面的經(jīng)驗，以指導今后地下實驗室研發(fā)工作的進行［6-7］。表2所列42個地下實驗室資料，主要來自文獻［5-7］，部分來自網(wǎng)上資料。這些地下實驗室有的在建，有的正在運行，有的已經(jīng)關閉，也有的只開展場址研究工作，而最后未建成。

1999年Andersson曾統(tǒng)計過，一個地下實驗室的建造成本需耗資1億歐元左右［6］。國內也有人估算過，建造一個地下實驗室約需5.2億人民幣（未含運行維修費）［9］。 但不明確的是，在這些估算中是否包括地下實驗室研發(fā)所需的各種儀器設備的購置費和運行所需的各種設備購置費？是否包括場址外圍水電和交通配套設施的費用？如果未考慮這些，再加上運行和維修費，則所需資金要遠大于此數(shù)，所以在決策建造地下實驗室問題時需慎重。

表1 普通地下實驗室與特定場址地下實驗室的主要特點對比Table 1 Comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories

3 關于地下實驗室分類的討論

現(xiàn)在國內即將開展新一輪地下實驗室選址工作，現(xiàn)就特定場址地下實驗室定義問題進行一些討論，以供業(yè)界參考。

按IAEA分類，屬于特定地下實驗室的有：HADES、 Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、

ESF、WIPP 和 RCF［5］；而按 OECD/NEA 分類，屬于特定場址地下實驗室的有：ONKALO、Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、 佩 奇（Pécs）、 WIPP 和 ESF［6］。 IAEA 未 把OECD/NEA分類中的ONKALO和佩奇列入其中，OECD/NEA則未把IAEA分類中的HADES和RCF列入其中，這說明兩個國際組織在對待特定場址地下實驗室的認識上還是有些不同。

表2 地下實驗室一覽表［5-7］Table 2 List of underground research laboratories［5-7］

續(xù)表2

續(xù)表2

按照IAEA特定場址地下實驗室的定義，可以理解為一個國家可有多個特定場址地下實驗室，因為處置庫最終場址是經(jīng)過幾個預選場址對比研究后確定的。這樣，有些原建在預選場地上的特定場址地下實驗室，由于對比研究后不被批準為正式場址，因而就起不到特定場址地下實驗室應有的作用，而有“蛻變”為普通地下實驗室的可能。當然，也有這樣一種可能，那就是現(xiàn)在的普通地下實驗室，其所建場地也有可能經(jīng)過以后對比研究后，被確認為正式場址，如果是這樣，則原來的普通地下實驗室有可能被 “升級”為特定場址地下實驗室。因此，IAEA這個特定場址地下實驗室定義，對有些特定場址地下實驗室來說，具有歷史地位上的不確定性，它們不能完成特定場址地下實驗室所賦予的特殊歷史使命。如英國的塞拉菲爾德（1997年已終止場址特性評價工作，表2）和德國的Gorleben（它于1977被選定為高放廢物處置庫場址，后因政治原因，于2001年終止工作，至今它能否作為處置庫場址，仍在爭論之中）等就是這類例證。因此，這種普通地下實驗室與特定場址地下實驗室的概念，在某種程度上，具有相對性。按IAEA的地下實驗室分類原則，屬特定場址的地下實驗室為數(shù)也不少，但實際上真正能起到特定場址地下實驗室作用的，目前就筆者所知只有3個：①美國的WIPP（軍用超鈾廢物和混合超鈾廢物處置庫，有8個處置單元，其中第一個處置單元就是特定場址地下實驗室，該處置庫已于1999年3月26日開始運行）；②ESF（地處尤卡山，該地于2002年被政府批準為處置庫正式場址，計劃在2018年建成，但在2009年美國聯(lián)邦預算提案中并未向該場址撥款，只給了核管會（NRC）有關申請?zhí)幹脦旖ㄔ斓囊恍┱{查費）；③芬蘭的ONKALO（芬蘭政府于2001年確定Olkiluoto為處置庫場址，并計劃在2020建成處置庫）。因為除上述3個場址和瑞典正在待政府審批的Forsmark場址①外，其他各國的處置庫場址至今尚未被政府所確認，包括比利時的Mol地區(qū)。因此，有些現(xiàn)在界定的特定場址地下實驗室，以后是否還會“蛻變”成普通地下實驗室或引起其他什么別的變化，這在目前尚難定論。因為處置庫選址問題，不僅取決于自然因素，同時還受社會因素和政治因素所制約。如OECD/NEA 2001年認為世界上第一個特定場址地下實驗室的德國Konrad，現(xiàn)在的處境與Gorleben相似。因此，筆者認為，只有建在經(jīng)政府批準的處置庫最終場址上的地下實驗室，才是真正的特定場址地下實驗室，也只有這種地下實驗室，才有可能起到確認最終處置庫場址和論證高放廢物處置方案可行性的作用，才能提供處置庫設計、建造和運行等所需的和近乎處置庫現(xiàn)場實際的各類資料。

地下實驗室研究至今已有45 a歷史，積累了豐富的經(jīng)驗，它是高放廢物地質處置研發(fā)過程中必不可少的一個重要研發(fā)階段。如果沒有這個階段，處置庫場址就無法被最終確認，后續(xù)的處置庫建造也就無法進行。普通地下實驗室與特定場址地下實驗室具有不同的歷史定位和不同的歷史使命。何時開展何種類型地下實驗室研發(fā)工作，應根據(jù)各國高放廢物地質處置研發(fā)的進展情況而定，同時，由于建造地下實驗室投資較大，因此也需要國家有足夠的資金來支撐。

注：①2009年6月SKB已正式宣布它為推薦場址，2010年向瑞典輻射安全機構和環(huán)境法院提交環(huán)境評價報告和安全分析報告，擬申請建造處置庫許可證，SKB準備于2013年建造地下實驗室，2015年開始建造處置庫，2023年處置庫運行。

［1］Bettini A.Underground laboratories［J/OL］.J.Phys.:Conf.ser.， 2008，120:082001.［2010-05-10］.http://iopscience.iop.org/1742-6596/120/8/082001/pdf/1742_6596_120_8-082001.pdf.

［2］Drek Elswoth， Peter Smeallie， Francois Heuze.Deep underground science and engineering laboratories（DUSELs）［R］. Alexandria： American Rock Mechanics Association，2003.

［3］Coccia E.Underground laboratories in Europe［J/OL］.J.Phys.： Conf.ser.， 2006， 39： 497-504.［2010-05-10］.http：//iopscience.iop.org/1742-6596/39/1/134/pdf/jpconf6_39_134.pdf.

［4］ 徐國慶，樓鳳升.國外地下實驗室情況調研和我國建立地下實驗室必要性的初步探討［R］.北京：核工業(yè)北京地質研究院，1986-1987：115-119.

［5］IAEA.The use of scientific and technical results from underground research laboratory investigations for the geological disposal of radioactive waste［R］.Vienna： InternationalAtomic Energy Agency，2001.IAEA-TECDOC-1243.

［6］OECD/NEA.The role of underground laboratories in nuclear waste disposalprogrammes［R］.Paris：Organization for Economic Co-operation and Development/Nuclear Energy Agency，2001.

［7］National Academy of Sciences/National Research Council.The disposal of radioactive waste on land.Publishing 519［R］. Washington， D C： DOE，1957：4.

［8］ 徐國慶.核廢物的模擬處置庫：地下實驗室［J］.國外鈾金地質（現(xiàn)名：世界核地質科學），1992（增刊）： 57-69.

［9］ 羅嗣海，楊春和，李廷君，等.處置工程與地下實驗室（地下實驗室部分）［C］//潘自強，錢七虎.高放廢物地質處置戰(zhàn)略研究 （中國工程咨詢項目）.北京：原子能出版社，2009：231-268.

［10］徐國慶，李永利，梁秀珍，等.北京地區(qū)地下實驗室場地預選［C］//王 駒，范顯華，徐國慶，等.中國高放廢物地質處置十年進展.北京：原子能出版社，2004:454-468.

［11］Faculty of Civil Engineering， Czech Technical University in Prague.Underground educational facility JOSEF［EB/OL］. ［2010-05-10］.http： //www.uef-josef.eu.

Discussion on classification of underground research laboratory

XU Guo-qing
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

The classification of underground research laboratory，a comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories，an overview of research on underground research laboratory，and a review of site specific underground research laboratory are given in this paper.It is noteworthy that the site specific underground research laboratory is probably not well-defined and hence some of them have no clear fixed historical position，and finally they do not play an important specific role for this kind of underground research laboratory.It is suggested that the site specific underground research laboratory may be defined as follows:it is constructed at the final repository site approved by the government， such as WIPP and ESF in U.S.A.， and ONKALO in Finland， because only this kind of underground research laboratory can really play an important role for validation of suitability of repository site and feasibility of disposal concept of high level radioactive waste.

geological disposal of radioactive waste； underground research laboratory； generic underground research laboratory；site specific underground research laboratory

A

1672-0636（2010）03-0170-08

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.010

2010-05-14

徐國慶（1932—），男，浙江舟山人，高級工程師（研究員級），主要從事鈾礦地質包體及核廢物處置研究工作。E-mail：xuguoqing@126.com