核废料深埋处置

核废料深埋2014.3.24主要内容一、研究背景二、核废物的来源、分类以及管理三、核废物管理的基本方法基本原理和方法四、核废物深层地质处理五、迄今国内外的研究进展六、相关应用介绍一、研究背景一、研究背景一、研究背景我国核电站发展概况2020年,我国核电有望实现70GW的装机容量,核电设备市场或将达到4000亿元,核电装备自主化进程的推进必将带来核电装备业的大发展,而核电发展的技术瓶颈等制约因素仍有待进一步突破。由于核废料处理问题的困扰,50年后如何处理核废物或将成为比建设核电站更大的难题。“亚洲第一坑”中国第一个核武器研制基地地处中国西北部的青海省海北藏族自治州州府西海镇地区，先后研制成功了中国第一颗原子弹和氢弹，被称为中国“原子城”。1995年全面退役至今，与它相距仅几公里的金银滩就是当时基地工作区内所有的放射性废料被深埋之地，世人称为“亚洲第一坑”。相关国际机构IAEA：InternationalAtomicEnergyAgency国际原子能机构ICRP：InternationalCommissiononRadiologicalProtection国际辐射防护委员会UNSCEAR:UnitedNationsScientificCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation联合国原子辐射效应科学委员会等等。核爆炸压水堆核电站铀-235轻水堆、重水堆（秦山三期）和石墨汽冷堆轻水堆又分为压水堆（秦山大亚湾田湾岭澳宁德）和沸水堆（福岛）快中子增殖堆FastBreederReactor（FBR）铀-238，钚-239石墨气冷堆铀的包覆颗粒作核燃料、石墨作中子慢化剂、氦气作为冷却剂的先进热堆核电站辐射的种类二、核废物的来源、分类以及管理原则二、核废物的来源、分类以及管理原则2.1核废料来源种类民用核燃料循环军用核燃料循环非核燃料循环天然存在放射性物质内容以核电生产为中心的核燃料循环，包括前段过程、反应堆运行过程和后段过程三大部分。主要来源于军用核材料生产、核武器制造以及核动力舰船（如核潜艇、核动力航空母舰等）的运行。包括：放射性同位素生产；放射性同位素在工业，农业生物，医学等方面的各种应用；核研究中心的各种研究活动；各类核设施退役活动。原始放射性物质的矿床分布，火山喷发、矿山喷泉、侵蚀和沙迁移等民用核燃料循环以核电生产为中心的核燃料循环，包括前段过程、反应堆运行过程和后段过程三大部分。军用核燃料循环军工放射性废物主要来源于军用核材料生产、核武器制造以及核动力舰船（如核潜艇、核动力航空母舰等）的运行。2.2核废物分类根据国际原子能机构（IAEA）的分类，首先按物理形态将核废料分为液体、气体、固体三类，然后再按比活度将每类分为若干级别。见下表：2.2核废物分类我国放射性废物基本分类如下表：2.2核废物分类三、核废料管理的基本原理和方法简介放射性废物管理的9条基本原则（IAEA）：（1）保护人类健康：放射性废物管理必须确保对人类健康的影响达到可接受的水平；（2）保护环境：放射性废物管理必须确保对环境的影响达到可接受的水平；（3）超越国界的保护：放射性废物管理应考虑超越国界的人员健康和环境的可能影响；（4）保护后代：放射性废物管理必须保证对后代预期的健康影响不大于当今可接受的水平；（5）给后代的负担：放射性废物管理必须保证不给后代造成不适当的负担；（6）国家法律框架：放射性废物管理必须在适当的国家法律框架内进行，明确划分责任和规定独立的审管职能；（7）控制放射性废物产生：放射性废物的产生必须尽可能最小化（8）放射性废物产生和管理间的相依性：必须适当考虑放射性废物产生和管理的各阶段间的相互依赖关系；（9）设施安全：必须保证放射性废物管理设施使用寿期内的安全。基本原理稀释—分散放射性废气低水平放射性废液浓缩—封隔低水平的放射性固体废物一切高水平放射性废物滞留—衰变短寿命放射性废物3.1对处置系统的基本要求（1）对废物进行相当长期的的隔离（依赖天然的和人造屏障来实现）（2）一旦完全隔离期过后，要保证一个低的释放率（3）能够估计由于人类活动或毁坏性的自然事件所造成的废物转移情况（4）利用现有的技术和合理费用能实现处置（5）必须能够充分地模拟控制处置系统长期特性的过程，包括物理的、化学的甚至生物的3.2主要的几种处理方法（1）太空处置此处置方案可使废料永远脱离生物圈,因此具有较大的吸引力。美国国家航空和宇宙航行局所做的研究表明:根据太空发射技术,把核负载物发射到地球与金星之间的太阳轨道上是可行的。此方案的主要问题是极高的花费和发射失败的危险。3.2主要的几种处理方法（2）冰层处置此方案主要是利用核废料自身发热将冰融化而逐渐沉入冰层内或冰层底部。然而,非常高的运输、处理费用,以及由于冰层处置区在地质时期内进化的不确定性引起废料密封可靠性问题。国际法律明确禁止在南极处置废料,而在格陵兰岛选址又要受到丹麦的控制。3.2主要的几种处理方法（3）海底处置在海底处置某些类型的废料,虽然具有很低的个人危险度,但用此方法处置高放、中放废料受到国际协议的禁止(伦敦倾倒公约,1983年)。3.2主要的几种处理方法（4）岩熔处置高放射性的固体或液体废料贮放到地下深孔或洞穴中,废料产生的辐射热将熔化它本身及周围岩石。最终冷却后,废料将熔合进天然岩石基质内。（5）深层地质处置地质岩层以它年代的古老以及在多数环境中长时间的稳定为特征,尽管岩石都以相当缓慢的速度在不断变化。目前,世界各国处置高放废料的最重要也是最常用的方法是人工深岩穴(贮存库)贮存。四、核废料深层地质处理地质岩层以它年代的古老以及在多数环境中长时间的稳定性为特征。岩层保持其结构完整性和物化特征的时期之长已大大超出人类经验的范畴。4.1放射性废物处置系统介绍主要功用①物理屏障作用——限制和阻止地下水接近、进入废物处置库；减弱和屏蔽放射性废物发出的α，β，γ射线对生态环境的影响；②化学屏障作用——通过化学作用阻滞放射性核素向生物圈迁移；③机械屏障作用——废物容器和回填材料能安全、稳妥地包容废物，吸收巨大的地应力(岩石静压力、地质应力等)，为处置状态的废物体提供机械支撑。废物体废物体是阻滞废物中放射性核素向外迁移的第一道屏障。回填材料回填材料是指在处置放射性废物时，在废物容器之间和在废物容器与地质体(土壤、岩石)之间等剩余空间内放置的某些矿物、岩石碎料。常用的回填材料有膨润土、粘土、沸石、蛭石、玄武岩、岩盐等碎块或粉末(掺入一定数量的石英砂、石墨等)。地质体地质体又称废物的贮存介质、处置介质等，这是指放射性废物处置场(库)周围的土壤、岩石及有关沉积物等。地质体是放射性废物处置体系中最重要的一道屏障(天然屏障)。4.2场址选择因素1、地形2、大地构造和地震强度3、地下条件：处置区深度地层结构：厚度和延伸，坚实度，均匀性，均质性，和地层纯度上覆、下伏和侧翼地层的性质和延伸4.2场址选择因素4、地质构造：倾斜或倾向断裂和节理底辟作用5、围岩的物理和化学性质：渗透性，孔隙度，溶解度和弥散度，气体和液体的包裹体岩石的力学和塑性特性，区域和局部的热梯度热机和热水力响应，热导率和比热吸附容量，矿物中的水含量辐射效应4.2场址选择因素6、水文和水文地质地表水：产状、组成、体积地下水：产状、体积、化学7、未来的自然事件：水文变化抬升和下沉地震强度岩浆侵入和断裂作用气候变化地形变化4.2场址选择因素8、普通地质和工程条件场地面积和缓冲带已有的钻孔和洞穴，勘探钻孔、竖井、坑道和洞穴废石处置，废物运输处置库的设计和建造，处置库的安全运行和稳定性9、社会学问题：潜在的资源土地的价值和使用人口分布，土地权和管辖权可接近性和服务设施其他环境影响公众的态度4.3处置介质的选择对处置介质提出下列条件:(l)岩石水渗透率小,孔隙度小,含水量低,这些都是高放废料地质处置介质最重要的必备特性,因为地下水易导致核素的扩散、渗透;(2)岩石节理、裂隙不发育,不被断层切割,节理、裂隙、断层往往成为地下水流动的通道;(3)岩体具有阻滞放射性核素迁移的地球化学、矿物学特性(如吸附性、离子交换能力等);(4)岩石具有良好的导热性,易于传导、散失由高放核废料产生的衰变热;(5)岩石具有较强的抗辐射性能;(6)岩石具有一定的机械强度,便于构筑较牢固的地下工程;(7)岩体具有足够大的体积,放射性核素即使泄离处置库,当它们缓慢迁移至生物圈时,已衰变成无害水平。因此,高放废料的地质处置深度为500~1000m。具备上述条件可供处置高放废料固体的主要有岩盐(盐层、盐丘)、花岗岩、粘土岩、凝灰岩和玄武岩等,其中尤以岩盐、花岗岩、粘土岩广泛被各国采用，下面分别进行介绍。岩盐岩盐是一种泻湖相、内陆盆地蒸发岩，主要成分为石盐（NaCl），另含少量录化物、硫酸盐。岩盐具有以下适宜于处置放射性废物的特性：１.基本不含水，否则岩盐体将被溶解而荡然无存。岩盐仅存在于干燥的地质环境中。２.孔隙度极小(0.5％)，水渗透系数较小(10-12—10-8cm／s)，其中盐丘岩盐的渗透率最低。３.导热性能良好[热导率为3.34—6.28W/（m·C）]。４.对自身中出现的裂隙具有特有的自封闭(或自愈合)能力，即若岩盐中出现裂隙，裂隙水中的过饱和盐分能自行沉淀并封闭裂隙，因而岩盐中裂隙的存在时间较短。岩盐５.具有—定可塑性。随温度增高，岩盐的可塑性增大，这增强了对裂隙的自封闭能力。６.对放射性核素具有一定的吸附能力。７.放射性核素在盐饱和水溶液中的扩散速度极小。８.易溶于水，只需向地下注水溶解盐体，便易获得所需形状的地下处置空间，施工成本低廉。9.具有一定机械强度，在其中施工无需人工支撑。10.具有蠕动性(速度为0.005—2mm/a)，在岩盐中处置放射性废物后，岩盐能逐渐自行包封废物容器而不留任何自由空间。岩盐岩盐不利于处置放射性废物的性质主要有：1.当温度增高时，岩盐的热导率降低。2.当吸收辐射线剂量达106一107Gy时，岩盐内部结构将发生一定变化，即岩盐的抗辐射性能不够理想。3.岩盐在高温、高压条件下将发生蠕动，使处置在其中的放射性废物有上升暴露至地表的危险。4.岩盐中若出现光卤石夹层，后者在增温时(＜130℃)即分解，生成多量水，危及废物的安全处置。岩盐5．岩盐中的流体包裹体能向热源移动，造成废物容器(热源)周围卤水量增多，废物易被侵蚀，而且卤水的热导率小于岩盐的热导率，卤水量的增多不利于废物衰变热的传导和散失。6．岩盐是一种有用矿产，有些人认为用以处置放射性废物是一种浪费。花岗岩花岗岩类岩石分布广，具有良好的储废性能，因而受到世界各国的青睐。花岗岩适宜于处置放射性废物的特性主要有：1.分布广，岩体规模一般较大(岩基等)，岩石质地较均一。2.新鲜花岗岩的孔隙度较小(0.1％一0.2％，一般为0.5％—0.2%)水渗透系数较小(1000m深处为10-12—10-10m/s)。3.含水量较小(0.1％一0.2％)。4.新鲜花岗岩中化学元素和同位素体系基本上保持封闭状态。5.机械强度较大，有利于构筑地下处置工程。花岗岩6.导热性较好[平均热导率为2．5W／(m·℃)]；热稳定性较好。7.抗辐射性较好，受高剂量辐射线作用后，岩石性质不变。8.岩石中的磁铁矿、黄铁矿、绿泥石、黑云母等合Fe2+矿物，促使变价放射性核素处于难溶于水的低价状态。9.对放射性核素具有较好的阻滞性能。花岗岩可用作放射性废物处置库主岩的花岗岩必须具备的条件：1.岩体延伸范围较大，岩石质地均一。2.断裂构造不发育，岩石裂隙广泛地被次生矿物（方解石、粘土等）充填。3.岩石的水渗透系数小于10-9~10-8cm/s；岩石的空裂度不大于0.5%~1%。4.在地貌上，花岗岩体应略低于周围地区，以免岩体被风华、剥蚀过快。粘土岩粘土是良好的回填材料，适宜于处置放射性废物的特性主要有：1．粘土岩(及泥质岩)约占世界沉积岩覆盖面积的70％，分布极广（见p102表3.3）。2．水渗透系数较小(10-11一10-7cm／s