论我国高放废物地质处置地下实验室发展战略

王　驹,苏　锐,陈　亮,宗自华

(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)

随着我国核工业的迅速发展,高放废物安全处置已经成为影响核能可持续发展、环境保护和子孙后代福祉的战略性课题[1]。从1985年开始,我国有关科研机构和企业在该领域开展了大量科研工作,取得了显著的科研成果[2-6]。经过近30年的研究探索,我国高放废物地质处置研发工作已经从场址区域筛选逐渐过渡到地下实验室工程建设阶段。

地下实验室是指建造于一定深度、用于开发和验证高放废物地质处置技术、在一定情况下用于评价场址适宜性的地下研究设施。地下实验室建成后,它将成为处置库研究开发、验证实验、设备考验的中心。地下实验室是开发高放废物地质处置技术的重要设施,也是处置库开发过程中不可或缺的一个重要环节。国外已建成20多个高放废物地下实验室,对推进高放废物地质处置工作起到了重要的推动作用[7-10]。

地下实验室建设项目已经列入国家及有关部门、行业的规划。建设我国地下实验室涉及若干战略问题,如地下实验室的功能、定位、技术路线图、场址比选等,解决这些问题,在这些问题上最大程度地达成共识,对加快推进地下实验室工程建设工作,实现2020年左右建成我国地下实验室的目标,具有十分重要的意义。

1　地下实验室的定位

1.1　国外地下实验室的定位

(1)国外地下实验室总体情况

目前,国外相继建设了20多座地下实验室(见表1),从事相关研究和开发工作。第一座普通地下实验室建于1965年,位于德国的阿瑟盐矿 (Asse);第一座专门为开发高放废物处置技术建设的地下实验室是1984年加拿大在花岗岩中建设的白壳地下实验室 (Whiteshell URL);第一座特定场址地下实验室是德国康纳德实验室(Konrad实验室),由康纳德铁矿山改造而成。

表1　国外主要地下实验室基本情况Table1　Basic information of major foreign URLs

续表

著名的地下实验室包括瑞典的Äspö地下实验室、芬兰的ONKALO地下实验室 (见图1)、法国的Meuse/Haute Marne地下实验室等[8-10]。

图1　芬兰乏燃料地质处置地下实验室主体结构图Fig.1　Main structure of the under ground research laboratory for gelolgical disposal of spent fuel in Finland

这些地下实验室的建设极大地推动了高放废物地质处置技术的开发和地质处置库的建设。从地下实验室实验中获得的各类参数为处置库的工程设计、工程屏障的设计及处置系统安全评价提供了技术基础,地下实验室的运行经验为未来处置库的运行提供了参考。更为重要的是,公众通过参观地下实验室,逐步树立了对地质处置安全的信心。例如,在瑞典,每年有10 000多人参观Äspö地下实验室;在芬兰,每年也有4 000多人参观ONKALO地下实验室。调查发现,地下实验室建成后,公众对高放废物处置工程的支持率有明显增大。芬兰的处置库场址于2001年获得了批准,瑞典的处置库场址也于2009年得到确认。

(2)国外地下实验室发展情况

随着不断深入探索和实践,地下实验室的功能和定位不尽相同。大体上以20世纪九十年代初为分界点,分为两个阶段:早期的地下实验室主要利用已有的地下工程和设施改造而成,以方法学研究为主;后期的地下实验室以专门选址建造功能齐全、设施完备的新型地下实验室为主,研究问题应用性更强。

在20世纪六十至八十年代,地质处置技术刚刚开始研发,地质处置的概念刚刚提出、工程屏障材料处于摸索筛选阶段、场址评价缺乏成熟方法、安全评价还缺乏数据及方法,对整个地质处置系统及其过程的认识非常初步。在这种情况下,国外利用一些已有的地下工程和设施,如地下废旧矿山、公路或铁路隧道、水电站隧道等,建设了非常简易的地下实验室。如瑞士的GTS和Mont Terri地下实验室、瑞典的Stripa地下实验室、德国的Asse地下实验室、日本的釜石地下实验室等。

自20世纪九十年代以来,随着地质处置概念的逐渐清晰,对处置库场址深部真实环境了解的需求越来越迫切、对地质处置工程施工和作业方法的需求越来越迫切,而有些国家的处置库选址工作也取得了重大进展。在这种背景和需求下,功能单一、设施简易的地下实验室已不能满足要求,于是出现了以下类型的地下实验室。

1)功能齐全、设施完备的 “普通地下实验室”(如加拿大的白壳地下实验室,日本的瑞浪、幌延地下实验室等)。

2)建设在处置库场址上的 “特定场址地下实验室”(如美国的尤卡山ESF、WIPP,芬兰的ONKALO,德国的Gorleben等)。

3)建设在特定区域的地下实验室 (如法国的Meuse/Haute Mar ne地下实验室等)。

(3)国外地下实验室基本定位

第一类为普通地下实验室,其定位非常清晰,即作为处置库的预演,在模拟处置库的真实环境中,全面开展各种实验,以掌握技术、获取数据,获得工程经验和运行经验,为处置库的建设提供全面的经验和数据,也为未来处置库的审批提供依据。

第二类为特定场址地下实验室,其定位则进了一步。由于这类地下实验室是建造在已选定的处置库场址上,它的功能包括评价场址、开发技术、集成和验证处置技术、确认处置库场址、验证废物处置工艺和方案的可行性等,并有可能逐步演变成真实的处置库的一部分。从特定场址地下实验室获得的数据可以直接用于处置库的设计和处置系统安全评价,从而为国家的监管机构批准场址和批准建设处置库提供依据。

1.2　我国地下实验室的总体定位

我国建设高放废物地质处置地下实验室,有以下几种考虑,一是建设普通地下实验室;二是选择好处置库场址,建造特定场址地下实验室;三是根据我国实际情况,建设具有中国特色的地下实验室。

在我国目前情况下,第一、第二种选择均不是十分理想。

(1)建造普通地下实验室

只能是重复国外的一系列实验,实验所获数据对工程设计、安全评价只起参考作用,即使建了普通地下实验室,将来在处置库场址上还要再建 “特定场址地下实验室”。

(2)建设特定场址地下实验室

其优点是,可以深入评价场址,所获数据可直接为工程设计和安全评价服务,在其中可以开展示范处置,该地下实验室还可以扩大为真实的处置库。然而,其最大缺点在于,这类地下实验室的建设取决于处置库场址是否已经获得审批,若处置库场址不定,则无法建设。另外,处置库场址审批需要复杂的程序和较长时间,若等待处置库场址获得审批,则需要相当长的时间才能建设地下实验室。而急需在地下实验室中开展的实验则无法开展。

借鉴国外地下实验室发展经验,结合我国高放废物地质处置研究进展和实际需要,提出我国应当建设第三种地下实验室,即 “特定场区地下实验室”[11]。

所谓特定场区地下实验室,是指建设在未来潜在处置库场址附近区域的、或具有与潜在处置库场址相似特征的;既具有方法学研究性质、又具有场址评价性质的地下实验室;既起着普通地下实验室的作用,又可起潜在的 “特定场址地下实验室”的作用。

特定场区地下实验室的建设,既取决于是否已经确定处置库场址,又不完全取决于处置库场址。前者是指,只要处置库场址已经大体确定,则可确定地下实验室场址。后者的意思是,即使处置库场址没有确定,只要处置库的预选区已经大体确定,则可以选择地下实验室的场址。只要地下实验室场址的地质、水文地质、工程地质和深部地质环境等条件具有代表性,且与未来潜在的处置库场址相似,则可以确定地下实验室场址。由于这种地下实验室只是一个特定的研究设施,与未来处置库没有必然的联系,这样场址的审批相对就会简单和容易。

特定场区地下实验室还具有一个潜在的巨大作用,即通过在这种地下实验室中开展的实验和场址评价工作,认为该场址适宜作为处置库场址后,有可能使处置库选址的进程大大加快。

因此,我国首座高放废物地质处置地下实验室的总体定位可以是建设在特定场区 (处置库重点预选区)有代表性的岩石之中、位于500 m深度左右、功能较为完备且具有扩展功能的,为高放废物地质处置研究开发服务和场址评价服务的、具有国际先进水平的科研设施和平台。

2　开发我国地下实验室的技术路线

2.1　国外开发地下实验室的技术路线

(1)法国模式

在高放废物处置库的重点预选区选择场址,建设地下实验室,即墨兹/下马恩 (Meuse/Haute Marne)地下实验室。建成的地下实验室为掌握技术、评价场址特性起到了决定性的作用,为法国确定高放废物处置库场址奠定了基础,且未来的处置库就位于地下实验室附近 (5 k m以远)。

(2)瑞典模式

在有代表性的岩石 (花岗岩)之中建设地下实验室,即著名的Äspö地下实验室,在其中获得的大部分数据,可以为未来的处置库选址和建设服务。

(3)芬兰和美国模式

先选择出高放废物处置库的场址,再建设地下实验室,如芬兰的ONKALO地下实验室和美国的尤卡山ESF地下实验室。这些地下实验室建成之后,可以扩建成处置库。表面上看,芬兰和美国省略了建设普通地下实验室这一步骤,但实际上,芬兰从头至尾参与了瑞典Aspo地下实验室的研究开发,而美国建设的WIPP地下实验室,已为在处置库场址上建设地下实验室积累了丰富经验。

(4)瑞士和日本模式

先不管高放废物处置库建设在何处、也不管高放废物处置库建设在何种岩性之中,在花岗岩、黏土岩两种岩性中均建设了地下实验室。如瑞士的Grimsel地下实验室、Mont Terri地下实验室、日本的瑞浪地下实验室、幌延地下实验室。

2.2　开发我国地下实验室的技术路线

参考国外地下实验室开发的4种技术路线,开发我国地下实验室也有相应的4种选择。按照芬兰和美国的模式建设地下实验室,其前提是需要先确定处置库的场址,这一目标在中国近期显然不可能实现。按照瑞士和日本模式建设地下实验室,建设的仅仅是与处置库场址没有任何地理空间关系的普通地下实验室,显然不适应中国高放废物地质处置目前的形势和需求。

通过分析,我们认为前两种模式的结合应当是较好的选择,既参考法国模式,又参考瑞典模式,开展地下实验室建设。即在我国目前高放废物处置库花岗岩场址筛选工作的基础上,从甘肃北山、新疆、内蒙古3个重点预选区中,通过综合比选,确定首个地下实验室场址。在具有代表性的花岗岩中建设我国首个高放废物地质处置“特定场区地下实验室”。

3　地下实验室的功能和初步试验规划

3.1　国外地下实验室的主要功能

高放废物地质处置地下实验室对高放废物地质处置工作起到了重要的推动作用。经济合作与发展组织核能机构总结分析了国外地下实验室建设运行情况,地下实验室在高放废物地质处置库的开发过程中具有如下10大功能。

1)了解深部地质环境和地应力状况,获取深部岩石和水样品,为其他基础研究提供数据和实验样品。

2)开展1∶1工程尺度验证实验,在真实的深部地质环境中考验工程屏障 (如废物体、废物罐、回填材料等)的长期性能。

3)开发处置库施工、建造、回填和封闭技术,完善概念设计,优化工程设计方案,全面掌握处置技术,估算建库的各种费用。

4)开发特定的场址评价技术及相应的仪器设备,并验证其可靠性。

5)开展现场核素迁移实验,了解地质介质中核素迁移规律。

6)通过现场实验,验证修改安全评价模型。

7)为处置库安全评价、环境影响评价提供各种现场数据。

8)进行示范处置,为未来实施真正的处置作业提供经验。

9)培训技术和管理人员。

10)提高公众对高放废物处置安全的信心,争取公众支持。

以上这些功能,并不是在国外的每一个地下实验室中均具备。有的实验室仅具备部分功能。

3.2　我国地下实验室的基本功能

在分析国外地下实验室功能基础上,结合我国的具体情况,提出我国地下实验室应当具备以下6大基本功能。

1)评价场址深部环境 (地质、水文、地应力、岩石力学特性等)。

2)开展1∶1工程尺度验证实验,在真实的深部地质环境中考验工程屏障 (如废物体、废物罐、回填材料等)的长期性能。

3)开发处置库施工、建造、回填和封闭技术以及相应的设备,完善概念设计,优化工程设计方案,全面掌握处置技术,估算建库的各种费用。

4)为未来的处置库安全评价、环境影响评价提供各种现场数据 (包括核素迁移数据、核素水化学性能参数等)。

5)为公众参观地下实验室、了解地质处置技术的安全性能、提高对高放废物安全处置的信心提供窗口。

6)为国际合作提供地下实验巷道和学术交流场所。为开展地下现场实验提供深部实验巷道和水、电、通风、通讯、安全和应急等后勤保障,为科研人员提供住宿、饮食等后勤保障。

3.3　计划开展的试验

根据研究开发的需要,需要在现场开展的试验分为如下3类。

1)现场获取相关数据的试验,包括深部环境地质条件参数测量,围岩物理和化学特征参数测量,围岩岩石力学特征和岩体稳定性参数测量,地下水流动和物质 (包括核素、胶体、气体、腐殖酸等)运移参数测量等,为处置库场址性能评价和安全评价提供技术参数。

2)相关技术开发和验证试验,包括处置库选址和评价技术开发与验证、安全评价技术开发与验证、处置库建造技术开发与验证、处置库运行技术开发与验证、现场长期监测技术开发与验证等。

3)原型处置或示范处置试验。开展1∶1工程尺度的现场实验,在真实的深部地质环境中考验工程屏障,如放射性废物体、废物罐及缓冲回填材料等的性能,为未来实施真正的处置作业提供经验。

4　地下实验室场址与处置库场址的关系

根据前述我国首座地下实验室的定位和开发我国地下实验室的技术路线,我国的地下实验室应当建设在处置库重点预选区中有代表性的岩性中。这一表述,清楚地描述了我国的地下实验室场址和高放废物地质处置库场址的关系:我国地下实验室场址是一个与处置库场址有着特定联系的场址。这种特定联系,表现在以下几方面。

1)地下实验室场址是在全国高放废物处置库重点预选区中筛选出来的,而不是凭空选定的。

2)尽管地下实验室场址是从处置库重点预选区中选出来的,但它不是处置库场址。也就是说,在目前阶段,仅把该地下实验室作为一个科研实验设施和实验平台看待,暂时与处置库场址没有必然联系。

3)一旦地下实验室的场址评价和研究开发工作,证明在该场址建设处置库是适宜的,则这个地下实验室场址,或其附近的场址,可以转变成处置库场址。

5　我国地下实验室工程的若干进展

自2014年开始,开展了地下实验室选址和场址评价研究、建造技术研究和地下实验室的工程设计研究。目前,已经筛选出甘肃北山预选区的新场为我国首个地下实验室场址,在该场址上已经完成近40口钻孔的施工,完成了对该场址的特性评价。在甘肃北山建设了 “北山坑探设施”,研发了地下实验室建造技术。以甘肃北山新场为地下实验室场址,完成了 “中国北山地下实验室”的工程设计 (见图2)。

图2　中国北山高放废物地质处置地下实验室示意图Fig.2　Schematic of the Beishan URL for deep geological disposal of high-level radioactive waste in China

该地下实验室为一个位于地下560 m深的研发平台,主要由地下设施和地面设施组成。地下设施包括3条竖井 (1条人员竖井、2条通风井)、一条长约7 k m直径为7 m的斜坡道、联络通道、通风排水等辅助系统、-240 m试验巷道、-560 m试验巷道等,其中,主要的现场实验在-560 m的试验巷道中开展。地面设施包括科研及展示中心、运行控制中心、样品存储及分析中心、设备中心、生活区、消防供电等辅助配套设施。

6　结论

1)我国首座地下实验室的总体定位是:建设在特定场区 (处置库重点预选区)有代表性的岩石之中、位于500 m深度左右、功能较为完备且具有扩展功能的,为高放废物地质处置研究开发服务和场址评价服务的、具有国际先进水平的科研设施和平台。其性质为 “特定场区型地下实验室”。

2)建设我国首个地下实验室的技术路线是:在我国目前高放废物处置库花岗岩场址筛选工作的基础上,从甘肃北山、新疆、内蒙古3个重点预选区中,通过综合比选,确定首个地下实验室场址。在具有代表性的花岗岩中建设地下实验室。

3)我国地下实验室应当具备评价场址深部环境,开展1∶1工程尺度验证实验,开发处置库建造、运行、回填和封闭技术,全面掌握处置技术,为地下现场实验提供深部实验巷道、水、电、通风、通讯,安全和应急等后勤保障,为公众参观地下实验室提供窗口等6大基本功能。

4)我国地下实验室的场址筛选、建造技术和工程设计已经取得显著进展,有望在2024年左右建成我国首座高放废物地质处置地下实验室。

参考文献:

[1]潘自强,钱七虎.我国高放废物地质处置战略研究[M].北京:原子能出版社,2009.

[2]王驹.新世纪中国高放废物地质处置 [M].北京:中国原子能出版社,2016.

[3]王驹,陈伟明,苏锐,等.高放废物地质处置及其若干关键科学问题 [J].岩石力学与工程学报,2006,25(4):801-812.

[4]王驹,郑华铃,徐国庆,等.我国高放废物地质处置研究十年进展 [M].//王驹,范显华,徐国庆,等.中国高放废物地质处置十年进展.北京:原子能出版社,2004,12.

[5]中国岩石力学学会废物地下处置专业委员会.第四届废物地下处置学术研讨会论文集 [C].北京:原子能出版社,2012.

[6]中国岩石力学学会废物地下处置专业委员会.第五届废物地下处置学术研讨会论文集 [C].世界核地质科学,2014(增).

[7]OECD/NEA.The Role of Under ground Laboratories in Nuclear Waste Disposal Programmes[R].2001.

[8]SKB.Long-term safety for the final repository for spent nuclear fuel at Forsmark,Main report of the SR-Site project:Technical Report TR-11-01[R].Sweden,2011.

[9]POSIVA.Safety case f or the disposal of spent nuclear f uel at Olkiluoto-Synthesis[R].Finland,2012.

[10]ANDRA.Evaluation of the feasibility of a geological Repository in an argillaceous for mation:Dossier 2005[R].France,2005.

[11]Ju WANG.On area-specific under ground research laboratory for geological disposal of high-level radioactive waste in China,Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2014,6(2):99-104.