徐國(guó)慶

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

國(guó)際高放廢物處置研發(fā)工作在花崗巖地區(qū)的進(jìn)展（續(xù)）

徐國(guó)慶

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

俄羅斯想通過對(duì)比研究這三個(gè)預(yù)選場(chǎng)址，選出一個(gè)生態(tài)安全的高放廢物處置庫(kù)。因此，目前俄羅斯在花崗巖地區(qū)還處于選址階段，但它已對(duì)未來的處置庫(kù)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)（圖7）［10］。

由圖7可見，俄羅斯高放廢物處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)具有如下一些特點(diǎn)：1）地下實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與處置庫(kù)設(shè)計(jì)融為一體，前者是后者的有機(jī)組成部分，并把前者視為特定場(chǎng)址地下實(shí)驗(yàn)室，這比法國(guó)先有Bure地下實(shí)驗(yàn)室，后再由地下實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)建成Cigéo候選處置庫(kù)的設(shè)計(jì)方案更向前走了一步［11］；2）處置庫(kù)不僅處置高放廢物（在處置工程底部），同時(shí)還處置退役廢物（在處置工程上部）和低中放廢物（在處置工程中部），這種具有多目的性處置庫(kù)與德國(guó)早期設(shè)想的候選處置庫(kù)（Gorleben）相似，因?yàn)榈聡?guó)當(dāng)時(shí)也想在這種類型的處置庫(kù)處置各級(jí)廢物［12］；3）俄羅斯處置庫(kù)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與瑞典的KBS-3工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為相似。

2.2.4 瑞士

目前，瑞士有5座核電反應(yīng)堆，分布在瑞士北部地區(qū)，裝機(jī)總?cè)萘繛? 252 MWe，其發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的40%，但瑞士政府計(jì)劃于2034年關(guān)閉最后一座核電站。

瑞士有2個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，1個(gè)在北部，叫Mont Terri，巖性是Opalinus黏土巖；另一個(gè)在南部，叫Grimsel Test Site，巖性是花崗巖。其中對(duì)Opalinus黏土巖已于2004年請(qǐng)國(guó)際同行專家評(píng)審團(tuán)進(jìn)行過處置庫(kù)關(guān)閉后輻射安全的評(píng)價(jià)工作［13］。

瑞士一部分乏燃料送往英國(guó)、法國(guó)進(jìn)行后處理，但大部分未經(jīng)后處理的乏燃料留在了國(guó)內(nèi)。據(jù)2002年瑞士國(guó)家放射性廢物處置聯(lián)合體（Nagra）估算，如從2002年算起，核電站繼續(xù)運(yùn)行60a的話，那時(shí)高放廢物量將為：1）乏燃料：有2 065個(gè)廢物罐（3 217 t原始重金屬UO2和MOX）；2）高放廢物玻璃固化體：有730個(gè)廢物罐（來自1 195 t乏燃料的后處理）；3）長(zhǎng)壽命中放廢物：有1 680～1 880個(gè)不同類型的廢物桶（來自法國(guó)的COGEMA和英國(guó)的BNFL后處理廠）。

瑞士高放廢物處置庫(kù)（圖8）［14］的設(shè)計(jì)深度為650 m，其工程結(jié)構(gòu)與瑞典的KBS-3相似。該處置庫(kù)不僅處置高放廢物和乏燃料，同時(shí)也處置長(zhǎng)壽命中放廢物。它的特定場(chǎng)址地下實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與處置庫(kù)的設(shè)計(jì)在空間上融為一體。

2.2.5 瑞典

瑞典現(xiàn)有核電發(fā)電機(jī)組10臺(tái)。2011年，核電占全國(guó)總發(fā)電量的39%，但在2006年，核電卻占總發(fā)電量的46．3%（當(dāng)時(shí)Barseb?ck核電站的2臺(tái)發(fā)電機(jī)組還未退役，所以那時(shí)瑞典共有發(fā)電機(jī)組12臺(tái)）［15］。

圖6 俄羅斯高放廢物處置庫(kù)場(chǎng)址預(yù)選區(qū)—Nizhnekansk花崗巖雜巖體Fig.6Russian candidate area of high-level radioactive waste repository sites—Nizhnekansk granite complex pluton

圖7 俄羅斯處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)略圖Fig.7Sketch map of conceptual design of Russian repository

瑞典欲在KBS-3中處置的高放廢物是由2部分組成：一部分是已貯存在中央暫存設(shè)施Clab中12個(gè)核電站的乏燃料；另一部分是從2012年到各核電站退役時(shí)（1座核電站最晚的退役時(shí)間為2 045年）所產(chǎn)生的乏燃料，這樣將共計(jì)11 103 tU/HM。

關(guān)于瑞典的選址的進(jìn)展情況以及場(chǎng)址的地質(zhì)概況，請(qǐng)見參考文獻(xiàn)［16］。

KBS-3的處置方案和處置模式（圖9和10）包括水平處置與垂直處置，不過目前對(duì)垂直處置模式研究程度要比水平處置模式略高［17］。

瑞典核燃料和廢物管理公司（SKB）于2009年推薦Forsmark為處置庫(kù)場(chǎng)址，2011年提交建造處置庫(kù)段申請(qǐng)，計(jì)劃2015年建造處置庫(kù)，2020年以后處置庫(kù)運(yùn)行。2012年雖經(jīng)過OECD-NEA國(guó)際同行專家評(píng)審團(tuán)的評(píng)審，現(xiàn)在正在做補(bǔ)充工作，完善Formark處置庫(kù)關(guān)閉后的安全評(píng)價(jià)報(bào)告。圖11為Forsmark處置庫(kù)的深部工程設(shè)計(jì)略圖［18］。

在捷克、英國(guó)、西班牙和立陶宛等國(guó)的未來處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)中，其入口工程的設(shè)計(jì)與瑞典KBS-3的處置方案相似（圖12～14）［19-21］。

瑞典除對(duì)Forsmark場(chǎng)址研究外，還開展對(duì)Stripa和?sp?兩個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室的研究工作，特別是?sp?地下實(shí)驗(yàn)室的研究工作，它在驗(yàn)證KBS-3處置方案的可行性方面起了關(guān)鍵性作用。它是國(guó)外在花崗巖中取得突出研究成效的、為世人所熟知的地下實(shí)驗(yàn)室之一。

圖8 瑞士處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)圖Fig.8Conceptual design of Swiss repository

圖9 KBS-3乏燃料處置方案Fig.9KBS-3 disposal option of spent fuel

圖10 瑞典KBS-3乏燃料處置模式Fig.10KBS-3 disposal model of spent fuel

另外，要特別指出的是，瑞典在自愿選址方面工作做得很好，在當(dāng)?shù)卣腿嗣竦拇罅χС窒?，很快完成了Forsmak場(chǎng)址的確認(rèn)工作，并進(jìn)入申請(qǐng)建造處置庫(kù)階段。

圖11 Forsmark處置庫(kù)地下功能區(qū)（入口工程、中央?yún)^(qū)和處置區(qū)）的分布略圖Fig.11Sketch map showing the distribution of the function areas（entrance engineering，centerarea and disposal zone）in the subsurface area of Forsmark repository

圖122011 年捷克高放廢物處置庫(kù)的初步設(shè)計(jì)Fig.12Conceptual design of repository in Czech Republic in 2011

2.2.6 芬蘭

芬蘭有2個(gè)核電站，共有4個(gè)反應(yīng)堆（2個(gè)沸水堆、2個(gè)壓水堆），第5個(gè)反應(yīng)堆（壓水堆）正在籌建中［22］。芬蘭核電占全國(guó)總發(fā)電量的25%。

2012年芬蘭的乏燃料量估算為9 500 tU，合4 500個(gè)廢物罐［23］。

圖13 英國(guó)處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)Fig.13Conceptual design of repository proposed by England

圖14 西班牙處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)Fig.14Conceptual design of Spanish repository

芬蘭對(duì)已選定的Olkiluoto處置庫(kù)場(chǎng)址經(jīng)歷如下的研究過程：1977年，可行性研究；1983年，政府制定研究進(jìn)程和目標(biāo)；2000年，場(chǎng)址確認(rèn)；2001年，Olkiluoto附近的Onkalo詳細(xì)特性評(píng)價(jià)地下實(shí)驗(yàn)室開工；2012年，申請(qǐng)建造Olkiluoto處置庫(kù)執(zhí)照；2018年，申請(qǐng)?zhí)幹脦?kù)運(yùn)行執(zhí)照；2020年，處置庫(kù)運(yùn)行［6］。

按此計(jì)劃，芬蘭可能會(huì)先于瑞典建成處置庫(kù)。

芬蘭的結(jié)晶基巖是前寒武紀(jì)芬諾斯堪的亞地盾的一部分，成巖年齡為1 930～1 800 Ma，這比我國(guó)甘肅北山地區(qū)大部分混合巖化成因花崗巖類巖石的成巖年齡（一般為200～300 Ma）要早得多。Olkiluoto場(chǎng)址有兩類巖石：一類是高級(jí)變質(zhì)巖（包括各種混合巖化片麻巖、云英閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖-花崗質(zhì)片麻巖（即圖15中的TGG片麻巖）、云母片麻巖、石英片麻巖和鎂鐵質(zhì)片麻巖）；另一類是巖漿巖（包括偉晶花崗巖和輝綠巖脈）。該場(chǎng)址的構(gòu)造與巖性分布情況如圖15所示［23］。

圖15 Olkiluoto島的基巖地表地質(zhì)圖（示巖性和斷裂帶）Fig.15Surface bedrock map showing the lithology and fracture zone on Olkiluoto island

圖16 Olkiluoto處置庫(kù)場(chǎng)址的地表景觀Fig.16Surface landscape at Olkiluoto repository site

圖16為Olkiluoto處置庫(kù)場(chǎng)址的地表景觀［24］。圖17為詳細(xì)特性評(píng)價(jià)地下實(shí)驗(yàn)室與Olkiluoto處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)把兩個(gè)主要工程很好地融合在一起，實(shí)現(xiàn)共享［23］。

圖17 Onkalo詳細(xì)特性評(píng)價(jià)地下實(shí)驗(yàn)室與Olkiluoto處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)Fig.17Conceptual design of Onkalo detailed characterization research laboratory and Olkiluoto repository

2.2.7 加拿大

加拿大有5座核電站、18座反應(yīng)堆，其發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的16%（2006）。

關(guān)于加拿大的高放廢物量，該國(guó)的核廢物管理機(jī)構(gòu)（NWMO）有2種估算：一種是如果處置庫(kù)運(yùn)行30 a，那時(shí)CANDU堆將產(chǎn)生3．6×106個(gè)乏燃料棒束；如果考慮以后新增反應(yīng)堆的情況，處置庫(kù)運(yùn)行時(shí)間可能為60 a，那時(shí)CANDU堆將產(chǎn)生7．2×106個(gè)乏燃料棒束［25］。

2002年以前，加拿大乏燃料處置的研發(fā)工作由加拿大原子能有限公司（AECL）負(fù)責(zé)，但從2002年起，改由NWMO負(fù)責(zé)，而AECL則變成NWMO的一個(gè)業(yè)主單位。

在AECL主管期間，除進(jìn)行一些場(chǎng)址預(yù)選工作外，主要是進(jìn)行Whiteshell地下實(shí)驗(yàn)室研究工作，這是花崗巖中最著名的地下實(shí)驗(yàn)室之一，并取得了世人所熟知的各項(xiàng)研究成果。

2005年，NWMO提出了加拿大新的乏燃料處置方案—自適應(yīng)分期管理（APM）方案，并于2007年為加拿大聯(lián)邦政府所采納。該方案，與以前IAEA提出的分步?jīng)Q策方案相似，亦即高放廢物處置的研發(fā)工作應(yīng)統(tǒng)籌安排分步?jīng)Q策，但它有自己明顯的特點(diǎn)：1）重視公眾參與，把志愿者選址放在選址工作之首位［26］；2）強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的自適應(yīng)性。他們每一期的時(shí)間和目標(biāo)的安排具有很大的可塑性。

NWMO高放廢物處置的技術(shù)路線是：淺部地下貯存庫(kù)—地下特性評(píng)價(jià)設(shè)施—深部處置庫(kù)。雖然加拿大現(xiàn)在還未選定場(chǎng)址，但已有處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)（圖18）［26］。它是有別于瑞典KBS-3方案的另一個(gè)處置庫(kù)工程的典型設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，入口工程沒有斜坡道，只有豎井。該設(shè)計(jì)的思路也被羅馬尼亞和韓國(guó)等的入口工程設(shè)計(jì)所采用［5-6，27］。在加拿大處置庫(kù)設(shè)計(jì)中也考慮了廢物的回取問題［25］。

2.2.8 美國(guó)

美國(guó)現(xiàn)在運(yùn)行的反應(yīng)堆共有104座，已關(guān)閉的有14座。2012年，核電發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的19%。現(xiàn)美國(guó)累計(jì)高放廢物量約為70 000 MTHM，40 a后其廢物量可能約為現(xiàn)今廢物量的1倍［28］。

美國(guó)自從尤卡山項(xiàng)目被中止后，新提出4個(gè)處置方案：3個(gè)礦山式處置方案（處置庫(kù)圍巖為花崗巖、黏土巖/頁(yè)巖和巖鹽）和1個(gè)結(jié)晶巖（通常是指花崗巖）中的深鉆孔處置方案。在上述礦山式處置方案中不再提及凝灰?guī)r作為處置庫(kù)圍巖問題。另外，突出地提出在花崗巖中進(jìn)行深鉆孔處置高放廢物的方案［31］。

花崗巖在美國(guó)分布也很廣，美國(guó)早期只在花崗巖地區(qū)進(jìn)行2個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室研究（Climax和Edgar）［29］，以后，在1983年，在DOE提出9個(gè)預(yù)選場(chǎng)址名單中，沒有1個(gè)是花崗巖場(chǎng)址，特別是在1987年修改1982年美國(guó)國(guó)會(huì)通過核廢物政策法令（NWPA）時(shí)，國(guó)會(huì)選定尤卡山為惟一的處置庫(kù)場(chǎng)址（圍巖為凝灰?guī)r），并決定不再在花崗巖地區(qū)進(jìn)行選址工作［30］。由于美國(guó)在這方面的研發(fā)工作被中止，所以它現(xiàn)時(shí)的工作還處于起步階段，不過起點(diǎn)較高。

在美國(guó)，花崗巖不僅視為礦山式處置方案的有利圍巖，同時(shí)也是深鉆孔處置方案的有利圍巖［17］。特別是對(duì)礦山式處置方案來說，國(guó)際上已有大量采礦業(yè)和多年來在花崗巖地區(qū)的選址經(jīng)驗(yàn)，為美國(guó)進(jìn)一步開展此方案的研究創(chuàng)造了有利條件。在這方面，瑞典和芬蘭都有成功的經(jīng)驗(yàn)。

圖18 加拿大APM深部地質(zhì)處置庫(kù)示意圖Fig.18Sketch map showing Canadian APM deep geological repository design

3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1）堅(jiān)持選址的自愿原則。什么是高放廢物處置庫(kù)選址的第1要素，是IAEA的有關(guān)的選址導(dǎo)則，還是當(dāng)?shù)卣腿嗣竦倪x址自愿原則。經(jīng)過幾十們總結(jié)出一條極其寶貴的經(jīng)驗(yàn)——選址的自愿原則，有時(shí)它要比以地質(zhì)選址為主導(dǎo)的IAEA的選址導(dǎo)則更為重要，它必須走在地質(zhì)選址工作之前。因此，現(xiàn)在加拿大、法國(guó)、瑞典、芬蘭和日本等國(guó)都執(zhí)行此選址路線。凡是這方面工作做得好的國(guó)家，其選址工作進(jìn)行得很順利。歷史的教訓(xùn)值得汲取，美國(guó)尤卡山項(xiàng)目的敗筆，與只靠國(guó)會(huì)和聯(lián)邦政府的行政命令，而不顧及當(dāng)?shù)卣腿嗣襁x址的自愿原則息息相關(guān)。我國(guó)選址工作起步較晚，但遲早也會(huì)遇到這個(gè)問題，筆者應(yīng)積極主動(dòng)地去對(duì)待和解決此問題。

2）花崗巖對(duì)廢物具有良好的物理隔離性能。多年來的國(guó)際研究經(jīng)驗(yàn)證明，花崗巖、黏土巖、巖鹽和凝灰?guī)r都可作為處置庫(kù)圍巖，它們各具有自己的特點(diǎn)，它們可按自己國(guó)家的具體國(guó)情來選定，它們的不足之處，部分地可通過人工屏障來彌補(bǔ)。從巖石的力學(xué)性質(zhì)看，花崗巖能對(duì)處置工程的結(jié)構(gòu)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)被處置的核廢物具有良好的物理隔離性能，如果能選出一塊斷裂構(gòu)造不發(fā)育（巖體完整）、巖石滲透率甚低和水流速度極其緩慢的“安全島”，那就很理想了。

1987—2012年，中斷研究花崗巖作為處置庫(kù)圍巖的美國(guó)，現(xiàn)在也加入到花崗巖俱樂部，開始在全國(guó)花崗巖地區(qū)進(jìn)行選址工作。2012年，由捷克放射性廢物處置庫(kù)當(dāng)局（RAWRA）為主辦單位，美國(guó)的SNL為協(xié)辦單位，組織了13個(gè)國(guó)家的有關(guān)專家在布拉格召開了花崗巖地區(qū)高放廢物處置研發(fā)工作的學(xué)術(shù)和信息交流會(huì)，并于2013年，由SNL和RAWRA刊出了這次交流會(huì)的文件匯編。

3）高放廢物處置庫(kù)，不再是單純處置高放廢物和乏燃料，不少國(guó)家已逐步向多功能方向發(fā)展。如俄羅斯在高放廢物處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)中，在工程上部處置退役廢物，中部處置低中放廢物，底部處置高放廢物；在瑞士和羅馬尼亞等國(guó)的處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)中，除處置高放廢物和乏燃料外，還處置長(zhǎng)壽命中放廢物；立陶宛也準(zhǔn)備將乏燃料與中放廢物處置在同一處置庫(kù)中［32］；英國(guó)在處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)中，除處置高放廢物和乏燃料外，還處置有屏蔽的和無屏蔽的低、中放廢物。這種具多功能的處置庫(kù)設(shè)計(jì)思路，值得筆者今后工作借鑒。

4）瑞典處置庫(kù)的設(shè)計(jì)思想逐漸得到國(guó)際業(yè)界所認(rèn)可。目前處置庫(kù)工程有兩種典型設(shè)計(jì)，即瑞典模式與加拿大模式。由瑞典開發(fā)的KBS-3礦山式高放廢物處置模式（斜坡道＋豎井＋平巷＋盲井），近年來被越來越多的國(guó)家所認(rèn)可，因此在不少國(guó)家的高放廢物處置庫(kù)概念設(shè)計(jì)中，采用此種方案。這些國(guó)家是芬蘭、捷克、俄羅斯、瑞士、英國(guó)、西班牙和立陶宛等，韓國(guó)部分地參考了KBS-3方案。除瑞典外，還存在另一種處置庫(kù)設(shè)計(jì)模式，那就是加拿大模式（豎井＋平巷＋盲井或大口徑鉆孔），這里沒有斜坡道，如在羅馬尼亞處置庫(kù)和韓國(guó)A-KRS處置庫(kù)的概念設(shè)計(jì)中，入口工程中就沒有斜坡道。

5）將處置庫(kù)設(shè)計(jì)與特定場(chǎng)址地下實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)融為一體。如芬蘭、瑞士和俄羅斯等國(guó)的地下實(shí)驗(yàn)室工程與處置庫(kù)工程都位于同一空間內(nèi)，地下實(shí)驗(yàn)室的工程，即是以后的處置庫(kù)工程。這種設(shè)計(jì)，不僅節(jié)省了大量工程投資，同時(shí)也為處置庫(kù)設(shè)計(jì)提供了最接近于處置庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的設(shè)計(jì)參數(shù)。

6）廢物的回取。對(duì)不少進(jìn)行乏燃料處置的國(guó)家，都提出處置后廢物的回取問題，我國(guó)對(duì)乏燃料是進(jìn)行后處理的，那么這個(gè)問題筆者應(yīng)如何對(duì)待？

以上是近年來在花崗巖地區(qū)高放廢物處置研發(fā)工作中出現(xiàn)的一些新的國(guó)際動(dòng)向，望能引起有關(guān)主管部門和業(yè)界同事的注意，以促進(jìn)我國(guó)高放廢物處置事業(yè)快速而健康地發(fā)展。

（續(xù)完）

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Abroad progress in R＆D work on high-level radioactive waste disposal in granite areas（Continued）

XU Guoqing

（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level Radioactive Waste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

TL942

A

1672-0636（2016）03-0178-09

10.3969/j.issn.1672-0636.2016.03.009

2014-09-11

徐國(guó)慶（1932—），男，浙江舟山人，高級(jí)工程師（研究員級(jí)），主要從事輻射環(huán)境保護(hù)與評(píng)價(jià)工作。E-mail：xugq@126．com