瑞典核废料处理设施考察报告

瑞典核废料处理技术研发与项目实施情况(根据2010年3月瑞典考察情况整理)1核废料处理项目综述1.1概况瑞典从首台核电站机组投入运行至今已近40年，共有12座核电反应堆，目前仍有10座核电应堆在运行，已产生的核废料有5000多吨。按每座核反应堆的经济运行寿命周期为40～60年估算，至现有核反应堆完全停止运行拆除时共将产生15万m3受核污染的电站拆除垃圾（DecommissionWaste），6万m3运行操作中产生的受核污染废物（核物质过滤器、操作工具、人员防护设备及运行维修过程中产生的放射性废物等），以及4万m3具有严重放射性的废弃核燃料和其它核废料。1.2核废料处理项目规划与实施情况瑞典核废料处理项目研究大致分为处理方法研究阶段（20世纪70年代至1993年）、可行性研究阶段（1993年至2000年）、选址调查研究阶段（2000年至2009年）、永久核废弃料处理设施建设阶段（2009年至2020年左右）、永久核废弃料处理设施运行阶段（2020年至2050年左右），其主要实施情况如下：20世纪70年代开始研究核废料处理问题，并于1976年成立KBS机构启动核燃料安全处理项目研究工作。20世纪70年代至90年代初，在瑞典全国选择了10处作为永久核废料处理地点开展地质调查工作。1993～2000年间完成了8处永久贮存场地的可行性研究工作，重点对场地地质条件及当地政府和民众意愿进行调查研究。2002～2009年选定Forsmark和Oskarshamn（Clab附近）两处开展详细的基岩和环境调查研究工作。2009年3月SKB正式宣布选定Forsmark作为瑞典永久核废料处理场地。根据瑞典法律，永久核废弃料处理设施建设需满足环保法和核活动法案的相关要求，并经政府环境管理、放射物安全管理部门批准后方可实施。目前SKB正在编写永久核废弃料处理设施建设申请报告，计划2010年向瑞典政府提交申请报告。获得批准后即开始永久核废料处理场建设，预计2020年左右建成投入运行，从而彻底解决核电站拆除废物、运行中产生核废物及在Clab临时贮存30年后的废弃核燃料的贮存问题。至2050年左右永久核废弃料设施运行结束，地下洞室密封关闭。1.3核废料处理处理方法瑞典核废料永久处理均采用地下洞室深埋封闭处理方式，地下洞室位于地面以下约500～700m深处。电站拆除垃圾及运行中产生的废物等放射性较低的核废物在地下洞室内填埋后用混凝土封闭；放射性强的废弃核燃料先在Clab临时贮存30年后，采用内嵌铸钢的铜质圆筒（铜质圆筒外径1.05m，高度4.835m，筒壁厚度5cm）封装贮存，埋入地下洞室内开挖的坚井中，坚井周围及顶部回填膨润土封闭。瑞典核废料处理流程核废料永久处理设施1.4核废料处理费用估算及资金筹集根据2010年物价水平估算，瑞典核废料处理总费用约1070亿瑞典克朗（按电站运行50~60年计算），这些费用均由核电站运行单位来规划筹集。核电站运行单位通过每度电收0.01~0.02瑞典克朗建立了核废料处理基金，至2010年初该基金已达420亿瑞典克朗。为保证处理费用基金满足将来核废料处理要求，各核电站核废料处理基金计取周期均按25年计算。核废料处理费用构成分析2Forsmark核废料处理设施简介Forsmark小镇位于瑞典首都斯德哥尔摩北部约139km，濒临波罗的海，附近有Forsmark核电站。Forsmark与Oskarshamn一起作为永久核废料处理场地进行了详细的地质及环境勘查工作，由于Forsmark岩石地质条件更优越，因此最终选定作为永久核废料处理场地。目前在Forsmark已建成低放射性核废料(OperatinalWaste)处理设施（SFR），未来还将建设永久核废料处理场处理设施。已建成运行的SFR设施位于波罗的海以下50m的基岩中，工程于1983年开工建设，1988年投入运行，其核废料处理总容量为6.3万m3，每年处理能力约1000m3，目前核电站运行中产生的3.1万m3低放射性核废料均在SFR中贮存处理。即将建设永久核废料处理设施地下洞室位于波罗的海以下400～700m的基岩中，容量将达15万m3以上。Forsmark核处理设施全景Forsmark低放射性核废料处理设施（SFR，1988年投运）3Oskarshamn核废料处理设施及地下硬岩试验室简介Oskarshamn位于位于瑞典首都斯德哥尔摩南部约334km，濒临波罗的海，附近有Oskarshamn核电站。目前主要有废弃核燃料临时处理设施（Clab）、废弃核燃料封装技术试验室（CanisterLaboratory）、大型地下硬岩试验室等设施。Oskarshamn核设施全景3.1废弃核燃料临时处理设施（Clab）1980～1985年间在Clab建成废弃核燃料的临时处理设施，该设施主要包括两个位于地下40m深的洞室组成，每个洞室内分隔设置4个存放废弃核燃料的水池。Clab废弃核燃料的临时处理设施总容量约为8000t，每年可接受220t的废弃铀燃料废物及6罐高放射性核废物，目前核电站运行中产生5000t高放射性核废料均在该设施中临时贮存。所有废弃核燃料从反应堆取出来后，首先在核电站内的水池中存放至少9个月，期间其放射性衰减约90%，然后由特殊的密闭容器封装后用专用船只（SIGYN）运送到Clab水池中贮存，在Clab贮存约25~30年，待废弃核燃料的放射性和热量散发的只有1%以后再运至Forsmark的永久核废料处理场。Clab临时贮存核废料处理设施（1985年投运）瑞典核废料运输工具及运输线路(SIGYN专用船于1982年建成，红色运输线路表示高放射性废弃核燃料运输线路，黄色运输线路表示低放射性核废物运输线路)3.2废弃核燃料密闭容器试验与封闭包装设施废弃核燃料密闭容器需要在地震、地下500～700m深高地应力条件下，保证内部贮存的放射性物质在10万年不泄漏，质量要求极高，因此SKB于1998年启动了废弃核燃料密闭容器的试验工作，主要对永久贮存废弃核燃料的铜质圆筒可靠性、底部和顶盖焊接工艺、质量检查与质量标准等技术参数进行试验研究，并承担今后操作人员的培训工作。SKB废弃核燃料密闭容器试验室是世界上唯一开展全比例尺寸容器试验工作的试验室。目前试验工作已基本完成，相应的技术已基本成熟，因此，SKB计划近几年内在Clab附近开始建设废弃核燃料封闭包装厂。废弃核燃料封闭包装厂规划图3.3地下硬岩试验室为了解决在深层岩石中永久贮存核废料所产生的问题，SKB还在Oskarshamn建立了大型地下现场试验室，开展与核废料处理设施有关的全比例尺寸模型试验工作。地下硬岩试验室位于地下460m深的基岩洞室群中，于1990年开始建设，1995年建成。瑞典利用该地下试验室与加拿大、芬兰、德国、日本、捷克、法国、瑞士、西班牙、美国等相关国家的大学和科研机构开展国际合作。瑞典地下硬岩试验室主要开展了以下试验项目：（1）铜质圆筒、膨润土和基岩阻止核废料放射性的有效性验证；（2）在真实尺寸条件下，对核废料处理的运输、吊装、填埋、混凝土封闭回填、灌浆封闭等全过程进行实况演习；（3）地下洞室开挖、支护施工设备、工艺验证；（4）钻爆法开挖与大直径钻孔开挖所形成的洞室扰动区（EDZ）范围检测与比较；（5）岩柱稳定性试验；（6）永久贮存核废料所用封闭隔离土料选择试验及其在深层地下条件下的性能试验；（7）岩石地下水化学检测和渗流试验检测；（8）岩石力学强度及初始地应力试验；（9）放射性物质沿岩体裂隙扩散试验；（10）地下深层岩石极端条件下的微生物生存状况调查及其对铜质圆筒容器侵蚀影响；（11）不同环境条件下铜质圆筒容器侵蚀试验；（12）核废料散发热量情况及其对周边岩石性能、膨润土性能、铜质圆筒容器等永久核废料处理设施的影响；（13）铜质圆筒容器的耐气压试验；（14）铜质圆筒容器平洞与竖井埋设方式比较；（15）胶体运动携带放射性物质试验；（16）放射性物质运动轨迹跟踪试验等。这些数量众多的试验检测项目部分已经完成，但大部分试验项目仍在进行中，而且随着核废料处理技术方案研究的不断深入，将来还会增加更多的试验项目。通过全面、细致的现场试验研究工作，对保证永久核废料处理设施的经济、安全、可靠长期运行具有基础性支撑作用。地下硬岩试验室布置图4未来展望与建议4.1地下洞室将成为岩土工程发展的重要方向随着世界人口迅速增长和经济社会不断发展进步，人类改造和利用自然的能力不断增强，同时也面临着资源日趋短缺、自然环境恶化等挑战，由此带来人类生存环境不断发生变化。地下洞室具有抗震性好、防护和运行费用低，对地表及自然环境影响小，可以节约土地和能源等优点，近年来已被各国视为国家新型资源和产业发展的新方向，开挖和利用地下空间已成为拓展人类生存空间的一个重要方向。目前，地下工程埋深越来越大，由于深体岩体在初始地应力、地热、地下水等赋存环境方面与浅层岩体有很大差别，由此带来现有的岩石力学理论和工程技术尚不能完全有效地解决深层地下岩石洞室工程建设中所面临的问题，如岩体破坏模式与机理、稳定分析理论与方法、岩体时间效应、施工技术及工程运行管理等问题，因此，进一步开展地下深层岩石力学理论与工程技术研究是今后学科发展的一个重要方向。4.2重视环境岩土工程的研究环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门新学科。它主要应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务。人类生产活动和工程活动造成许多环境公害，如采矿造成采空区坍塌，过量抽取地下水引起区域性地面沉降，工业垃圾、城市生活垃圾及其它废弃物，特别是有毒有害废弃物污染环境，施工扰动对周围环境的影响等等。另外，地震、洪水、风沙、泥石流、滑坡、地裂缝、隐伏岩溶引起地面塌陷与石漠化等灾害也对环境造成很大破坏。上述环境问题的治理和预防给岩土工程师们提出了许多新的研究课题。随着城市化、工业化发展进程加快，环境岩土工程研究将更加重要。应从保持良好的生态环境和保持可持续发展的高度来认识和重视环境岩土工程研究。环境岩土工程的研究必须采用系统的观点，对涉及岩土工程稳定与安全的应力场、渗流场、温度场以及化学场和生物场等开展多场耦合研究是解决环境岩土工程问题的根本方法。3.3加强岩土工程施工与运行管理自动化研究由于地下洞室施工中及地下核废料处理设施运行管理中，存在较大的安全隐患，为保证施工和运行人员安全，改善工作环境，瑞典AtlasCopoo及SKB分别在岩土工程施工自动化和核废料处理设施运行管理自动化方面开展了卓有成效的工作，相关研究成果在加拿大RioTinto钻石矿开采、瑞典核废料处理设施（SFR、Clab）运行管理中获得了实际应用。加强我国在危险环境中作业自动化研究工作，减少作业人员伤亡事故和职业病伤害，是落实“以人为本”、“构建和谐社会”发展理念的重要技术手段。4.4借鉴国外经验，提高科研组织管理水平瑞典SKB在核废料处理技术研发中，高度重视地质勘察和基础试验工作，其技术研发过程持续近40年之久，并投入巨大的资金和人力建立了大型地下试验室，开展了100多项全比例尺寸的现场试验，扎实、全面、细致的试验工作是技术创新与研发工作取得突破性进展的根本保证。在核废料处理技术研发中，SKB高度重视技术研发总体规划管理工作，同时本单位专业技术人员充分参与到外委专业科研机构的研究工作中。这种科研组织管理模式主要优势表现在：1.有利于及时掌握各专业科研工作进展情况，并对其科研成果质量及先进性、创新性进行客观评价；2.有利于SKB对技术研发工作的统筹管理，通过跟踪调整实现对总体目标的有效控制；3.有利于对科研成果进行整合形成具有自主知识产权的技术创新成果，进而利用技术创新成果开展专业咨询和技术输出，为SKB带来新的经济效益，实现技术创新成果的产业化。正是由于上述科技研发管理模式，目前SKB已形成具有世界领先水平和自主知识产权的核废料处理技术成果（SKB-3），同时培养一支具有世界先进水平的科研队伍，有关技术成果的应用推广也将为其带来相应的经济效益。4.5关于核电发展的再认识随着社会进步和人口增长，土地资源的日益短缺，人们对环境保护和环境