谈核废料地质深埋法

（同济大学 上海市 200092）

谈核废料地质深埋法

陈 洋

（同济大学 上海市 200092）

核能在全世界范围已经得到越来越多的应用，随之而来的核废料处理也成为我们必须面对的问题。本文首先介绍了核废料的分类以及对高放核废料的最终处置方法：深埋法，之后重点介绍了核废料处置库的“多重保障系统”以及系统中关键的膨胀土材料，最后介绍了法国对此膨胀土材料的选择以及所进行的实验室和现场试验。

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1.概述

随着人类社会对能源需求的不断增加，核能作为一个新能源越来越受到人类的重视，与此同时，核废料的处置成为我们不可避免的一个问题。核废料中有部分属于低放废料，此类废料放射强度不高、危害较低，这类废料的处理，经历几十年的发展，已经相对成熟，安全性也有保障。然而，还有少量的高放废料，由于极高的放射性，如果处理不当，将会对环境造成严重污染，对人体危害极大。对于这类核废料，处理通常分为两阶段：暂存阶段和长期处置阶段。不论采用何种暂时处理方法，都需要一个高放废料的最终处理方案。对此，世界各国曾提出过多种方案，包括深海投放，太空处置，冰层封存以及地质深埋等。地质深埋法是目前公认的针对高放废料的一个最为有效可行的处理方法，中国，比利时，法国等国家都在进行处置库选址，设计等一系列研究。

1.1核废料分类

核废料一般按照单位体积或单位质量的放射性强弱可分类三类：低水平（低放），中水平（中放）和高水平（高放）。中放废料和低放废料主要是指核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物，占核废料比重的90%以上；高放废料是指从核电站反应堆芯中换下来的燃烧后的核燃料。

1.2高放废料

高放废料包含在反应堆堆芯中产生的裂变产物和超铀元素，由于腐蚀热而具有高放射性和高热性，因此需要冷却和屏蔽。它含有超过的2 kW/m3的热功率，被认为是“燃烧”铀的“灰”。高放废料占发电过程中产生的总放射性的95%以上。高放废料由长寿命元素和短寿命元素共同组成，这取决于特定放射性核素的放射性降低到不再对人类和周围环境造成危害的水平所需的时间长短。

1.3深埋法

深埋法即对核废料进行包装后埋藏在距地表500至1000米的地下岩石中，保持核废料与生物圈的隔离。为了确保核废料不发生泄漏，避免环境污染，通常先将核废料进行特殊处理和包装，之后再集中储存到地下修建的废料处置库中。

2.核废料处置库

处理和放置高放核废料的主要目的在于保护环境不受核污染。这意味着分离或稀释高放废料，使得返回生物圈的任何放射性核素的速率或浓度是无害的。为了确保数万年期间不会发生重大环境泄漏，对于核废料处置库处置计划进行“多重保障系统”设计，它们将放射性元素固定在高放废料内，并且保证其与生物圈隔离。

“多重保障系统”设计主要分为以下几步:

将处理后的核废料固定在不溶性基质如硼硅酸盐玻璃或合成岩石中（燃料颗粒已经是非常稳定的陶瓷：UO2）；

将其密封在耐腐蚀容器内，如不锈钢；

将其深埋在地下系统中；

一旦核废料放置好之后，系统中膨胀黏土芯的膨胀作用将关闭并且封闭系统。

一旦核废料储存库关闭，当地的地下水条件将进行自我恢复，主体岩层中的水将移动到核废料储存库。膨胀土材料吸收水并膨胀，填充膨胀土和系统本身之间的间隙，以及由于开挖而导致的主岩中的裂缝。再次之后，随后的膨胀受到主体岩石的限制，并且会产生溶胀压力。为了确保系统的稳定性，膨胀压力必须低于地下研究实验室（URL）中的原位轻微应力：7MPa。

在“多重保障系统”中，膨胀黏土芯对于系统最终的封闭起到至关重要的作用，因此各国在进行该系统的设计和完善时，大部分的研究都专注于寻找合适、高效，符合实际应用条件的膨胀土材料。

3.法国核废料处置库中膨胀土的研究

在大多数情况下，使用膨润土为基础的混合材料常用来作为核废料处置系统中的密封材料，不仅因为它具有高溶胀能力，低渗透性，还因为它的高放射性核素延迟性能。对于这类封闭材料的性能，法国已经在多个实验室中进行了研究，例如地下实验室（URL）。

同时，法国辐射防护和核安全研究所（IRSN）推出了SEALEX项目，该项目与核废料处置库中的膨胀土的选择有着密切的联系，致力于研究现场试验。

SEALEX项目主要研究有：

测试不同混合物（膨润土颗粒/粉末混合物或者/砂/ 膨润土混合物）和条件（预压块或原位压实）在正常条件下密封系统的长期水力性能；

量化内核的几何特征（施工缝）对密封系统的液压性能的影响；

量化条件的改变（由混凝土围堵堵塞引起的膨胀压力降低）对密封系统性能的影响。

4.结语

核废料的处理越来越受到世界各国的重视，高放核废料的地质深埋处理法作为一种较为可行、高效的方法也成为了各国研究的重点。本文介绍了核废料处置库系统，并且介绍了法国近年来相关项目的研究方向，对于之后中国的核废料处置库的设计与研究具有一点参考价值。

[1] Andra. 建筑和地质储存管理. 2005报告集. 2005.

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