與高放核廢物地質處置相關的能動構造研究

摘 要：高放核廢物采用深地質處置的方法被稱為“throwaway cycle”（丟棄循環）。這種劇毒的放射性物質要經歷20個半衰期的時間才能變為無害的，因此地質處置庫的選擇首先要把地震地質穩定性放在首位，其中關鍵的廠址相關參數（site-related parameters）稱之謂地表斷層作用（surface faulting），即斷層的能動性評價（assessment of capability for surface faulting）。本文對能動構造研究的主要內容提出了新的認識，相關結論已被我國核安全規范（HAF010）所接受。

關鍵詞：高放核廢物；地質處置；地震能動構造；地表斷層作用

中圖分類號：X771 文獻標識碼：A

一、問題的提出

核技術首先用之于軍事目的，這是眾所周知的歷史事實。民用或商用核工業相對要滯后很多。1946年，美國國會通過了《原子能法案》，并規定要設立原子能委員會以發展和平利用原子能的計劃，同時建立了國會原子能聯合委員會以監督原子能委員會的活動。但原子能委員會對軍事目的給予了優先權，對發展商用核反應堆只提供了象征性的經費。二十世紀50年代初，美國艾森豪威爾政府禁止了私營事業機構進入核領域。至60年代美國核電工業一蜂而上，70年代則迅速迭入低谷。盡管如此，由于未能預計到核廢料問題也并不感到存在任何技術上的障礙，低輻射廢料直接填埋于淺溝或者放在無人居住地帶隔離起來。高輻射的廢料（約7000萬加侖的高輻射軍用廢料）堆放在華盛頓、南卡萊羅納及愛德華州的政府工廠中；有6900萬立方英尺的低輻射商用及軍用廢料存在于華盛頓、南卡萊羅納及肯塔基州的淺溝中；1.4億噸的鈾尾礦堆積成山，遍及南部；約7000噸商用反應堆產生的廢燃料存在反應堆所在地的冷水池或“游泳池”中的支架上。核廢物的處置及對人類生存環境的影響，成了一個“揮之不去”的問題和“燙手的山芋”。

美國在West Valley， Sheffield， Maxey Flats， Oak Ridge， Savannah River， Barnwell， Hanford， Idaho Falls， Beatty， Los Alamos及Nevada Test Site有核廢物的貯存或處置場地，但高放廢物只存放于West Valley。1984年12月20日，美國能源部曾就高放廢物處置庫有關的9個場址公布了環境評價（EA）草案，其中5個被提名進行特別鑒定的場址。再經國家科學放射性廢物管理委員會審查后，由總統正式提名3個場址，能源部在這3個場址上各建造2個直徑7m的勘探豎井，深度300～1200米。原計劃1991年由能源部在3個場址對比的基礎上向總統推薦一個場址，以開發為第一個高放廢物深層處置庫（規劃該庫可貯存7萬噸核廢物，造價達200億美元，原預計1998年投入使用）。同時能源部還對第二個深層處置庫進行了選址和研究工作。內華達州尤卡山成為唯一被推薦的場址。但內華達州于2001年12月對聯邦政府提出了起訴，反對把尤卡山建成核廢料貯存所。內華達州同時還設法阻止對尤卡山的供水，拉斯維加斯市通過法律禁止運輸核廢料把核廢料運往尤卡山的命令，他們就會帶頭在州的邊界上組成一道人墻，阻止火車和卡車入境，并逮捕負責運輸的人。尤卡山最終高放廢物貯存所在美國成了一件政治上的大事，布什在2002年正式批準了該項工程，2004年在總統大選時成為克里攻擊布什并爭奪選民的焦點議題。2013年尤卡山工程再告停止。

美國公眾反對建立核廢料處理場，這是對建立永久性核廢料處理的一個困難問題。很多人不希望高或低輻射廢料經過他們的居住地，更反對儲存在他們的后院，有9個州禁止在他們的州界內掩埋核廢料，還有4個州宣布在核廢料處理技術成熟之前，推遲新的反應堆建造。所以，盡管在70年代美國原子能委員會（AEC）及后來的核管理委員會（NRC）頒布了一些核廢物處理方面管理規定和原則性的要求，但在核廢物處置庫的選擇方面久議不決或決而不斷，直至2002年才確定尤卡山為最終處置庫所在地。關于處置庫的選址特別是在地震及活動構造方面引用了核電站選址的相關規定，如美國國家標準ANSI/ANS-2.19《獨立乏燃料儲存設施（水池型）場址選擇與設計——確定場址相關參數導則》，美國核管會管理導則RG3.44《獨立乏燃料儲存設施（ISFSI）安全分析報告的標準格式和內容（水池型）》，NRC RG3.26《核燃料后處理廠安全分析報告的標準格式和內容》中都相繼要求，要詳細描述廠址8公里范圍內、長度大于300米的能動斷層（Capable fault），要確定與能動斷層相關的地震以及震中與能動斷層的關系。

美國的以上法規為國際原子能機構頒布的一系列安全標準奠定了基礎，同時也為各國核廢物處置提供了政策上的參考依據。IAEA在80年代特別頒布了一系列核安全標準（Uss， Nuclear Safety Standards），其中關于政府管理（Governmental Organization）方面有50-C-G系列9個導則，選址（siting）方面有50-C-S系列13個導則，設計（Design）方面50-C-D系列14個導則，運行（Operation）方面50-C-O系列11個導則，質量保證（Quality Assurance）50-C-QA系列11個導則。此外，還出版了安全系列、技術報告系列、TECDOC系列和會議系列的指導叢書，其中涉及核廢物安全管理的有《核電廠放射性廢物的管理》（1985）、《核電廠放射性廢物系統的設計》（1986）、《核電站放射性廢物的安全處理指南》（1980）、《核電站選址中的劑量評價》（1988）。世界各國關于放射性廢物的地質處置現狀，核工業北京地質研究院的王駒博士等曾于1999年翻譯出版了美國勞倫斯伯克利國家實驗室地球科學部P.A. Witherspoon教授編輯出版的《Geological Problems in Radioactive Waste Isolation—Second Worldwide Review》（1996）專著，書中集中介紹了世界26個國家和地區在核廢物（主要是高放廢物）地質處置的最新進展，內容包括：地質處置計劃，處置庫的概念設計，處置庫圍巖類型選擇，選址和場址特性評價，地下實驗室現場實驗，地質穩定性研究，水文地質研究，巖石力學研究，核素遷移研究，緩沖材料研究及環境評價研究等，令人感到意外的是該書內容不涉及具體的地震及能動斷層評價技術要求。

二、我國核廢物處置庫研究現狀

我國于1977年開始研究放射性廢物的最終處置，1979年研究確定：高放廢物一般要就地臨時貯存20至30年，使放射性減弱，然后永久處置；中、低放核廢物可以就地、就近選擇合適地址處置。

1985年由核工業總公司提出“中國高放廢物深地質處置研究發展計劃”（DGD計劃），計劃共分四個階段：1985～2025年，場址篩選和場址特性評價；2025～2029年，處置庫設計；2041～2050年，處置庫建造；2051年以后，處置庫運行。根據這一總體計劃，1986年成立了由核工業北京地質研究院、核工業北京工程設計研究院、中國原子能科學研究院和中國輻射防護研究院的專家組成了“高放廢物地質處置專家協調組”，負責研究發展計劃及選址、場址評價、處置庫設計和性能評價等有關領域的研究工作。在全國篩選、區域篩選、地區篩選和場址篩選的基礎上，先后選定華東、西北、西南、華南以及東北作為五個中、低放廢物處置場。1989年以來，工作主要集中于西北地區，并考慮把花崗巖作為候選圍巖，同時開展了地震、構造骨架、活動斷層、地殼穩定性、巖性、水文地質和工程地質工作，根據研究結論，選取前紅泉和舊井兩地區開展進一步研究工作。但截止目前為止，選址勘測及評價的主要依據，是根據現有的研究成果、國外同行的經驗和核廢料的特性，尚無國家選址標準予以指導（王駒，2005）。1998年國家核安全局批準發布了3個相關的規定：《放射性廢物的分類》（HAD 40I/04）、《放射性廢物近地表處置場選址》（HAD 40I/05）、《放射性廢物地質處置庫選址》（HAD 40I/06），尚無高放廢物地質處置庫選址的規定。

區域內的地震地質工作是針對四零四廠開展的。1985年，核工業部西北地勘局對四零四地區區域的穩定性進行了研究。1988年，國家地震局地殼應力研究所和蘭州地震研究所完成了《四零四地區地震地質綜合研究報告》。1991年，國家地震局地質研究所進一步提交了《四零四廠1257工程設計地震動參數及地震小區劃》研究報告。這些工作主要就廠址及其附近的活斷層、地震基本烈度復核、地震危險性分析及區域構造穩定性評價提出了結論性意見，需要強調的是所有研究都不涉及斷層的能動性的研究。

能動構造研究是地質屏障中至關重要的一環，高放廢物深地質處置庫的場址選擇對斷層的能動性評價是不可或缺的，這是處置庫未來安全運行的決定性因素。

三、能動構造的主要研究內容

1）斷層的活動性與能動性的關系研究。斷層的活動性和能動性是兩個相互區別與關聯的重要課題。

2）我國晚更新世（約10萬年）以來構造運動的特點研究。斷層能動性的主要特征是年代問題，確定年代依據是建立在整個新構造運動基礎上的。我國喜馬拉雅運動以來，晚更新世至今是一次決定性的構造運動，波及全國，持續至今，并影響未來，時間約10萬年。

3）斷層的地震性研究。地震是斷層活動的結果，但地震的震級與斷層的能動性有何關系？有認為沒有關系者，有認為必須有M≥5級的地震才能算活動斷層。在美國M≥3級的地震被列為“macroearthquake”和 “microearthauake”的界限并作為能動性的依據。在我國應如何劃分？

4）斷層的地表破裂與牽連機制的研究。斷層運動的不同性質與斷層的幾何結構有關。通常斷裂帶可分為主斷層、分支斷層和次級斷裂，屬于同一斷裂系的斷層運動（特別是主斷層的運動）會牽動同一體系的斷層一起運動。

5）斷層的近地表破裂判據研究。在能動構造的識別標準中，“近地表”是一個很重要的概念。這涉及到覆蓋區（包括松散沉積物和水域覆蓋區）高精度地球物理方法問題，不同方法的精度和局限性以及判斷近地表破裂可靠程度問題。

6）斷層的斷代依據研究。新年代學的方法用于測定斷層運動的特性和最近一次運動的時間是非常重要的。但是不同方法的物理意義是不同的，精度也相差很大。近年來的實踐表明，不加分析的“拿來主義”是不行的，特別是如何測定斷層最后一次運動以及對它的物理意義和精度。

通過能動構造定義和識別標準的研究，建立符合我國地震地質特征的識別原則。通過斷層的活動性與能動性、斷層能動性的時間意義、地震性、牽連機制、近地表破裂判據和新年代學方法進行研究，是能動構造研究的核心內容。

幾個重要概念辨析

1）活動斷層（Active fault）、活動構造（Active tectonics）、能動斷層（Capable fault）、能動構造（Capable tectonics）等術語的構造含義和區別，是引起廣泛爭議的主要問題之一。

2）確定可供鑒別的最新構造標志層。地層的錯斷及相關斷層運動年齡的確定，應以地層上的地質證據為主。目前國內不同規范給出的是不同的規定，凸顯出不同的認識，在實際工程評價中可能會給出相互矛盾的結果。認真研究我國第四紀以來地層的分層、分布、厚度、結構、組成特點，并進一步確定斷層上斷點最新運動的標志層；

3）斷代方法物理意義和構造意義分析。斷層物質的采樣、測年，確定斷層活動年齡，是目前廣泛采用的方法。很多研究往往直接引用測試年齡的數據以佐證斷層活動的年齡，少有對方法學的研究和數據給出的物理意義的說明。其實，不同測試方法給出的物理意義是不一樣的，精度不同構造意義也不同。

4）能動構造體系的研究。斷裂的體系觀點是認為斷裂可劃分出主干斷裂、分支斷裂和次級斷裂，斷裂的內部結構和體系特點決定了對斷裂調查寬度的確定，問題很關鍵也很復雜，分析的難度很大。

四、結束語

核裂變產物的廢物罐在移離核反應堆新埋在地下地質體中，第一年可使溫度達到1000℃，老化10年后仍可達到250℃。廢物罐的距離以5米計，存放10年后的溫度為700℃，間距約為10米時，溫度仍達400℃。受熱巖石會膨脹，使處置庫附近的巖石擴張，巖石會產生不均勻裂縫，水沿裂縫的滲入并溶解核廢料復又回到生物圈，預測這類可能發生的事件以及評價場地能承受這種高熱度安全閾值是困難的。按目前這種廢料的放置方法預測，整個儲存場地在600年內可身高10米。而由此產生的水平移動也會使放置的廢物罐之間的距離重新排列，對存儲場地未來的安全估計更是極端困難。不管怎么說，這種溫度產生的影響尚可由技術進步來逐步解決，而地質處置庫的地質構造環境，活動的構造條件。地震孕育及發生的背景，特別是斷裂的能動性，必須采用避讓的方法，必須在早期的選址中給出科學的評價，因為任何工程措施都不足以滿足高度安全的需求。對于高放核廢料處置庫的研究我們才剛剛起步，對能動構造的研究仍是一片空白。核安全的要求促使我們必須邁出這一步。

參考文獻：

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（本文審稿 陳洪江）