法国泥岩中的高放废物候选处置库场址Cigéo

徐国庆

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

法国泥岩中的高放废物候选处置库场址Cigéo

徐国庆

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

为了便于对比研究，我国高放废物地质处置的处置库围岩，除选择花岗岩外，还对黏土岩进行了研究，这项工作虽起步于20世纪80年代中叶，但当时未得出我国在黏土岩中建造处置库可行性的确切结论。近年来，我国再度启动黏土岩中高放废物处置库场址的选址工作，以查明我国在黏土岩中建库的可行性。

国外有些国家，如比利时和法国等，对此领域进行过多年的研究，并取得了一些十分可喜的成果，主要介绍位于黏土岩中的法国Bure URL和以此为基础发展起来的Cigéo候选处置库场址的选址工作，包括选址历程、场址推荐理由、Bure URL概况、候选处置库设计方案、今后法国在此领域的研发工作规划和笔者的几点认识。按现规划，Cigéo处置库将于2018年开始建造，2025年开始运行。

高放废物；处置库场址预选；巴黎盆地；Bure URL；Cigéo候选处置库场址

根据我国在2006年由原国防科工委、科技部和原国家环保总局联合发布的《高放废物地质处置研究开发规划指南》的精神，我国的高放废物地质处置库的围岩，除花岗岩外，还应考虑黏土岩作为处置库围岩的可能性［1］。据此，我国近年来又开展了在黏土岩地区的处置库场址预选工作。通过初步研究，有关单位提出了一些有利的工作地区［2-3］。为了配合此项研发工作的更好开展，介绍了法国的Bure地下实验室（Bure URL）和候选高放废物（HLW）处置库场址Cigéo的选址情况，以供对比研究之用。由于后者是在前者研究的基础上发展起来的，所以首先介绍Bure URL的情况，然后再介绍世界上第1个位于黏土岩中候选HLW处置库场址Cigéo的情况。

1999年11月，法国国家放射性废物管理机构（ANDRA）在巴黎东约200 km处的Bure镇（Commune）开始建造一个URL，目的是试图论证在泥岩中建造高放和长寿命中放废物处置库的可行性。Bure镇位于URL北部约2 km处，因此该URL被称为Bure URL。但该URL的北部为默兹行政区，南部为上马恩行政区，URL位于这两个行政区的接壤处，因此该地下实验室又被称为默兹/上马恩URL，Bure位于默兹的行政区内（图1）［4］。

1 选址历程

法国在高放废物处置的研发过程中有3个基本法案：即有关放射废物管理研究的1991-1381号法案［5］、有关放射性材料和废物管理的2006-739号规划法案［6-7］以及有关核领域的透明度和安全性的2006-686号法案［8］。

根据1991年法案精神，法国号召各社区进行自愿选址工作，此时有30个社区表示愿意接受在自己社区范围内进行选址工作。在此基础上，政府选择了下列4个地区作为URL的预选场址：Vienna预选场址（花岗岩，在法国西部）、加尔预选场址（黏土岩，在法国南部）以及默兹和上马恩预选场址（泥岩，在法国东部），因为后两者在地理位置上相距很近，同时又是同一种岩石类型，所以后来统称为Bure预选场址。1994～1996年，对上述3个预选场址进行了大量研究工作，随后于1996年提出了对这些场址进行URL建造和运行的申请，1997年为它们举行了公众听证会。后来发现Vienna预选场址不仅公众反对，同时也不符合未来废物处置的容量要求，加尔预选场址也由于政治上的原因未被政府采纳，最后于1998年末，政府决定把Bure作为URL正式场址，于是在1999年11月开始建造Bure URL［9］。

在建造Bure URL之前，1994～1996年ANDRA对该场址进行了大量地质、地震地质、水文地质、地球物理、岩石力学和地球化学等方面的研究工作，并根据这些研究工作选定了Bure URL场址［4］。

地质研究方面，首先对场址进行了地质填图，然后施工了深度不等（102～1 101 m）的7个岩心钻孔，再对场址的深部地层进行了特性评价，认为场址附近的地层层位稳定，欲建造URL的Callovo-Oxfordian层位有一定厚度，且埋深较大。

地震地质方面，查明距场址最近的地震带在场址50 km以外，场址区内无明显地震。

水文地质方面，通过地表井、泉的调查研究和深部钻孔中地下水的观察和分析，认为拟建URL的Callovo-Oxfordian泥岩及其上、下围岩皆不含水，只有Bure URL场址西侧的Barrois灰岩含水，经钻探证实，它对该场址不发生影响。作为URL的围岩-泥岩，其本身的渗透率甚低，为10-13～10-11m/s。

地球物理工作主要是进行地震剖面测量。一方面是利用该地区已有的68个石油钻井资料，收集和研究了1 300 km长的地震剖面；同时在场址附近进行了长达14.9 km的2D地震测量。测量结果表明：在预选的Bure URL场址范围内无明显的活动断裂存在，虽场址四周被断裂所圈闭：东部为Gondrecourt-le-Château断裂，南部为维特尔断裂，西部为马恩断裂，北部为Aulnois Saint-Amand构造（该构造只使地层产生轻微倾斜），但这些断裂，据查证，不是发震构造。

岩石力学方面，为了查明地下工程开挖的可行性，进行了有关岩石力学参数的测定。研究结果表明：岩石的力学性质适宜于建造URL。

地球化学方面，查明了泥岩中含有大量黏土矿物，属伊利石-蒙脱石系列，其中蒙脱石对放射性核素具有很好的吸附能力。

ANDRA的上述研究工作，既为Bure URL的选址工作奠定了基础，也为候选处置库场址Cigéo的选址工作提供了宝贵资料。

《Dossier 2005》是法国从执行1991年法案以来，在15 a的时间里对HLW处置研发领域各方面研究成果的汇总，出版了多册专辑，谈及与处置系统性能评价有关的各类问题，资料极为丰富，但讨论的核心问题仍是在泥岩中建造处置库的可行性［10-14］。

2006年，Dossier 2005通过了OECD/NEA专家评审团的评审［15］。

随着研发工作的进展，法国国会开始讨论有关法规问题，并于2006年6月28日公布了规划法案，这是法国第2个核废物管理的重要文件。

2007 ～2008年，为了了解深部地质情况（如岩石的力学稳定性、岩石开掘的可行性、岩石的自愈合作用和核素扩散作用等），ANDRA在推荐的处置库场址地段，按网格进行了大量钻探和2D地震测量工作。

ANDRA为了确定处置库的最终场址，根据国际辐射防护委员会提出的辐射防护最优化原则和考虑到处置库的建造与运行情况，对重要地段进行了详勘（Zone d’intérêt pour la reconnassiance approfondie，ZIRA）工作。

2009年3月，根据研究和公众长期讨论结果，政府批准了ANDRA关于推荐Bure URL和处置库场址的建议，这也为紧随其后的处置库候选场址Cigéo的选址工作作了很好的铺垫。

综上所述，法国在选址方面，除进行技术工作外，还积极吸收公众参与。在自愿选址方面，与芬兰、瑞典等国一样［16］，做了不少工作，因而选址工作进行得较为顺利［9］。

2 场址推荐理由

2.1 区域地质背景

巴黎盆地位于法国的中北部，盆地底部为古生代基底，其盖层由下而上依次发育二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第三纪地层。这些地层在东部发育较全，且呈环带状分布（图1）［4］。Bure URL在巴黎东偏南方向约200 km处，位于上侏罗系的Callovo-Oxfordian泥岩建造中，产状近水平（向盆地中心倾，即向W倾1°～1.5°），其成岩年龄为155Ma。在URL场址处，泥岩埋深420～550 m，厚130 m。其上覆地层为Oxfordian灰岩，埋深150～400 m，下伏地层为Dogger灰岩和白云质灰岩。特别要指出的是，无论是Oxfordian灰岩，还是Dogger灰岩，在本地区皆不含水［17］，含水的、喀斯特发育的灰岩（Barrois灰岩的近地表部分）只见于场址外围西侧，形成地表含水层，厚仅25m左右，它在URL场址处未见该透水层出露，见到的是Barrois灰岩的下部地层，它与下伏泥岩相隔400m，有不透水的灰岩隔挡（表1和图2）［4］。

图2中的水平与垂直比例尺为1∶5，因而地层的倾角放大了5倍，实际的地层倾角比它小5倍。

泥岩矿物组成：黏土矿物为40%～45%，碳酸盐矿物为20%～30%，石英和长石为20% ～30%，有机质为0.4%～1%。

Callovo-Oxfordian泥岩的主要特点见表2［17］。

2.2 推荐理由

根据多年来所获得的研究成果，ANDRA推荐Bure URL场址和候选处置库场址Cigéo的理由可大致归纳如下［18-19］：

（1）区域地壳稳定，地震活动概率甚低。由图3可见，URL场址附近无历史地震和现代地震发生，地震较活跃的地区在场址50 km以外，场址外围的北部和东南部地区地震较活跃，在1682年和1984年曾发生过中等强度的地震［4］。虽然该场址外围有一定强度的地震活动，但ANDRA还是选择了它。

（2）场址范围内活动构造不发育。由图1可见，区域上断裂多沿巴黎盆地边缘分布。如上所述，在场址外围虽有多个断裂（图1），但这些断裂并不是发震构造，在历史上并没有明显的地震发生（图3）。

（3）在泥岩中建造处置库具有一些有利条件。

①处置地段的泥岩渗透率甚低。通常泥岩本身的渗透率就不高，再加上该岩层位于地下深处420～550 m，这样岩石经上覆岩层压实后变得更加致密，孔隙率也随之降低，因而导致泥岩的渗透率更低（表2）。②泥岩的上、下围岩也不含水。泥岩的上、下围岩虽为易溶的碳酸盐类岩石，但在当地不含水，这一点对选择处置库场址是至关重要的。③由于泥岩的渗透率和扩散性能甚低，加上其上、下围岩不含水，因此在周围岩石中的地下水循环速度也很缓慢，所以在处置库场址范围内不存在重要的水循环体系。④泥岩对核素具有很好的吸附性，并且对裂隙构造有自愈合作用。⑤地层产状平缓而稳定。在场址几十公里范围内，在水平方向上，地层产状十分平缓而稳定，且岩性均一。⑥岩石的力学性质能满足地下工程开挖的需要。⑦泥岩对工程内的工程材料（如水泥、混凝土和金属材料等）影响甚小，这部分地有利于处置系统的安全性和运行上的可逆性。⑧由于处置地段泥岩埋深较大，这样可有效防止或减少各种人为的入侵。

（4）该地及其附近无潜在可利用的资源（如油、水、矿藏和地热资源等）。

3 Bure URL概况

3.1 地下工程

Bure URL场址的地质概况已在上述的区域地质背景中论及，故不再在此赘述。

URL的地下工程中有2个竖井：入口主竖井和通风用的辅助竖井，井深500 m，但前者直径为5 m，后者为4 m。实验中段在445m和490 m之间（图4）［19］。

3.2 主要研发内容

该URL的研究工作主要包括以下4方面内容［18］：（1）获取有关废物包、材料性状和当地泥岩特性等资料；（2）处置库设计，废物整备，处置库结构与整合，运行模式和可逆性研究；（3）处置库长期性状分析和热-水-力-化学耦合作用的演化模拟；（4）处置库的长期安全分析。

该URL目前只计划进行冷试验，不进行热试验工作。

4 处置库设计方案

这个候选处置库取名为“Cigéo”（Centre Industriel de Stockage Géologique，地质处置库工业中心）。

图5示出了“ZIRA”研究时所推荐的Bure URL和Cigéo候选场址的位置［9］。

处置库的地下面积为30 km2，位于Bure URL及其附近。2006年与利益相关者讨论时曾提出地表设施与竖井相连接的方案是采用一个长为5 km，坡度为10%的斜道，这样处置库地表设施的主要建筑（如废物接收站、控制室和废物包整备等设施）与处置库的主要竖井位置相距达5 km（图6），但此方案要在公众讨论会之后才能最后确定。

处置库有4个竖井，井深500m，竖井的内径分别为11.5 m（如运送废物包的竖井）、10 m（如通风用竖井），以及6.5 m（如运送人员用的竖井）。这里的竖井除中间一个矩形主罐笼和其两侧设有两个平衡设施外，还有一个辅助罐笼［11］。

废物采用水平处置法，把不同类型的废物分别处置在处置库的不同处置地段（图7）。该图中的B型废物为不发热或微发热的废物，C型废物为强发热的废物，C0型废物为中等发热的废物［11］。

处置工程设计在泥岩厚度（130 m）的1/2处，这样除去工程自身所占的空间外，工程上、下围岩（天然屏障）的厚度仅有60 m。基于泥岩厚度有限，且其上、下围岩又都是碳酸岩地层，因此采用水平钻孔处置方案，即在主坑道侧面打直径为70 cm，深为40 m的水平钻孔，利用机器人把装有玻璃固化体的不锈钢废物桶，通过陶瓷导轨，推入已打好的钻孔中，在废物桶与孔壁之间插入钢质屏障。对中放长寿命废物的处置较为简单，把废物包直接叠放在坑道中。

这个处置库设计方案的特点是：（1）处置对象不仅有高放废物玻璃固化体和乏燃料，同时还有中放长寿命废物；（2）废物处置采用可回取方案和可逆性的运行机制，废物在处置库中回取前的储存时间至少为100 a；（3）由于泥岩对核素的高吸附性和处置工程上、下60 m厚的天然屏障（泥岩）的存在，因此在HLW废物包外不设置工程屏障，而对中放长寿命废物则直接叠放在坑道中；（4）处置库入口工程的初步方案，与瑞典KBS-3方案的螺旋状斜井＋垂直竖井不同［20］，也与加拿大AECL提出的用单一垂直竖井的方案不同［21］，而地下工程是通过坡度为10%的长5 km的斜道由地表引入（图5）［12］。

5 今后计划

根据2011年的资料［9］，今后法国高放废物处置的研发工作规划大致如下：2012年下半年，公众讨论处置库设计方案；2013年，处置库地表和地下设施位置的最终选定；2014年下半年，提交建造处置库的申请；2015年，国家有关当局评审申请；2016年，国会讨论废物处置的可逆性问题；2017年，公布申请执照；2018年，开始建造处置库；2025年，根据2006年的规划法案，接受第1批废物包。

6 几点认识

（1）根据已有的研究资料，法国认为Cigéo场址作为候选场址是适宜的：那里发生地震的频率甚低，为稳定地区；地层为海相沉积物，层位稳定，产状平缓，没有受到后期构造的明显破坏；处置层埋深420～550 m，厚130m，不透水，其上、下围岩虽为易溶的碳酸盐类岩石，但也不含水，这是难得的自然条件；泥岩在核素吸附、水文地质和工程地质条件方面都能满足今后处置库建库的安全要求。

（2）从目前法国高放废物地质处置研发工作的实际情况来看，Bure URL是向特定场址URL方向发展，它将起到特定场址URL在最终确定处置库场址适宜性和论证废物处置方案方面的独特作用。

（3）法国在自愿选址方面，与芬兰、瑞典等国相似。笔者认为，他们的选址工作是以相关的国家法规为指导，以公众参与为基础，以政府决策为主导的思想路线进行的，因而选址工作进行得较为顺利。法国还专门成立了全国公众讨论会委员会（National Commission for Public debate，CNPD）［19］，这说明法国对公众参与的重视。

（4）法国重视核废物处置的可逆性和可回取性，除美国外，在法国这种处置方案也得到了充分考虑，且努力付诸实施，并提出核废物在处置库至少要存放100 a的时限。我国如何面对这类重大战略性问题，还有待研究。

（5）处置库围岩的选择，应是场址选择工作的一部分，并以选址导则来指导围岩的选择工作。这方面，法国已有的经验值得我们借鉴。

（6）希望我国在研究此领域时，除陆盆外，还需注意一下海盆。另外，还请注意一下盆底的基底构造和盖层的切盆构造，以便更好论证预选的处置库场址的构造稳定性问题。

［1］国防科工委，科学技术部，国家环保总局.高放废物地质处置研究开发规划指南［EB/OL］.北京：国防科工委办公厅，2006［2012-12-11］.http://www.caea.gov.cn/n16/n1130/n77194.files/n77193.doc.

［2］刘晓东，刘平辉，王长轩，等.高放废物黏土岩处置库场址预选研究［C］//第3届废物地下处置学术研讨会论文集.杭州：中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会.2010: 117-127.

［3］刘晓东，刘平辉.巴音戈壁盆地塔木素地区黏土岩基本特征研究［C］//第4届废物地下处置学术研讨会论文集.北京：原子能出版社：第4届废物地下处置学术研讨会论文集编委会.2012：50-58.

［4］ANDRA.State of knowledge and experimental program［R］.Paris:ANDRA，1997.

［5］Law No.91-1381 of 30 December 1991 Relating to research on radioactive waste management［EB/OL］. ［2012-12-05］.http://www.francenuc.org//en_chn/ irr_fue12_e.htm.

［6］Consolidated version of planning Act No.2006-739 concerning the sustainable management of radioactivematerials and waste［EB/OL］.［2012-05-10］.http://www.andra.fr/publication/produit/loi-VA-12122006.

［7］ANDRA.High-level radioactive wastemanagement，The French case—The 2006 planning act［EB/OL］. ［2012-05-10］.http://www.lboro.ac.uk/departments/ cm/research/LTNWM/High%20level%.

［8］Act NO.2006-686 of 13 June 2006 on transparency and security in the nuclear field［EB/OL］.［2012-05-10］.http://www.french-nuclear-safety.fr.

［9］Marie-Claude Dupuis，Fabrice Boissier，Thibault Labalette，et al（ANDRA）.Radioactive waste disposal within a clay environment：the French Experience［C］//Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，New Mexico.USA:April 10-14，2011:433-439.

［10］ANDRA.Dossier 2005 argile：Evaluation of the feasibility of a geological repository in an argillaceous formation［EB/OL］.［2012-05-10］. http://www.Andra.fr/interne.php3?d_rubrique=161.

［11］ANDRA.Architecture et gestion du stockage géologique，Dossier2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［12］ANDRA.Évaluation de sûretédu stockage géologique，Dossier2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［13］ANDRA.Évolution phenoménologique du stockage géologique，Dossier 2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［14］ANDRA.Évaluation de la faisabilitédu stockage géologique en formation argileuse profonde-Rapport de synthèse［R］.Paris:Andra，2005.

［15］OECD/NEA.Safety of geological disposal of highlevel and long-lived radioactive waste in france:An international peer riview of the‘Dossier 2005 argile’concerning disposal in Callovo-Oxfordian formation，OECD/NEA［EB/OL］.［212-05-10］.http: //www.new.fr/htm l/rwm/reports/2006/nea6178-argile. pdf.

［16］Sébastien Farin，Gérald Ouzounian（Andra）.Public involvement and site selection of a deep geological repository［C］//Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，April 10-14，2011，New Mexico，USA，Illinois.USA:American Nuclear Society，2011:160-165.

［17］Jean-Louis Gaussen.French URL project context，schedule and contents，WM’02 Conference，February 24-28，2002，Tucson［EB/OL］.［2012-06-10］.http://www.wmsym.org/archives/2002/ Proceedings/59/579.pdf.

［18］The Meuise/Haute-marne underground research laboratory（MHM URL）:a scientific tool［EB/OL］. ［2012-06-10］.http://www.andra.fr/download/andrainternational-en/document/editions/.

［19］Delay J.Overview of the current and planned activities in the French underground research laboratory at Bure［EB/OL］.［2012-06-10］.http:// www.eruronuclear.org/events/topsea/transactions/Paper -Session-Ⅳ-Delay.pdf.

［20］Claes Thegerström，Olle Olsson（SKB）.The license application for the KBS-3 system—A milestone for the Swedish spent fuel disposal program［C］// Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，April 10-14，2011，New Mexico，USA，Illinois.USA：American Nuclear Society，2011:184-192.

［21］Bonin H W，Bui V T，PagéD，et al.（Royal Military College ofCanada）.Polymer compositewaste containers for the ultimate disposal of radioactive ［C］//Proceedings of the 13th International Highlevel Radioactive Waste Management Conference，New Mexico，USA，April 10-14，2011，Illinois. USA:American Nuclear Society，2011:70-77.

Candidate HLW repository site Cigéo in argillite in France

XU Guo-qing
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

For the purpose of comparative study on the selection of host rock of HLW repository in China，it is necessary to study clay rock except granite.Although some project was launched in the middle of eighties of the last century，but exact result about the feasibility of repository construction in clay rock was not given.In the recent years the repository site selection in clay rock has been started once again in order to find out the feasibility to construct repository in it.This kind of research work has been performed formany years in some foreign countries and a good achievement is obtained，for example，in Belgium，France etc.In this paper the site selection of Bure URL and Cigéo candidate repository which is planned on the basis of expansion of Bure URL located in French argillite is presented.The progress of site selection，reasons for site recommendation，a summary description of Bure URL and a concept design of candidate repository，a future plan for R&D and some author’s considerations are stated here.In accordance with the present project，the repository Cigéo will begin to construct in 2018 and to operate in 2025.

high-level radioactive waste；selection of repository site；Paris Basin；Bure underground research laboratory（URL）；candidate repository site Cigéo

TL942＋213

A

1672-0636（2013）03-0159-09

2013-03-27

徐国庆（1932—），男，浙江舟山人，高级工程师（研究员级），主要从事铀矿地质包裹体及核废物处置研究工作。E-mail:xuguoqing@126.com

10.3969/j.issn.1672-0636.2013.03.007