談核廢料地質(zhì)深埋法

（同濟大學 上海市 200092）

談核廢料地質(zhì)深埋法

陳 洋

（同濟大學 上海市 200092）

核能在全世界范圍已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，隨之而來的核廢料處理也成為我們必須面對的問題。本文首先介紹了核廢料的分類以及對高放核廢料的最終處置方法：深埋法，之后重點介紹了核廢料處置庫的“多重保障系統(tǒng)”以及系統(tǒng)中關(guān)鍵的膨脹土材料，最后介紹了法國對此膨脹土材料的選擇以及所進行的實驗室和現(xiàn)場試驗。

核廢料，核廢料處置庫，多重障礙系統(tǒng)，膨脹土

1.概述

隨著人類社會對能源需求的不斷增加，核能作為一個新能源越來越受到人類的重視，與此同時，核廢料的處置成為我們不可避免的一個問題。核廢料中有部分屬于低放廢料，此類廢料放射強度不高、危害較低，這類廢料的處理，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相對成熟，安全性也有保障。然而，還有少量的高放廢料，由于極高的放射性，如果處理不當，將會對環(huán)境造成嚴重污染，對人體危害極大。對于這類核廢料，處理通常分為兩階段：暫存階段和長期處置階段。不論采用何種暫時處理方法，都需要一個高放廢料的最終處理方案。對此，世界各國曾提出過多種方案，包括深海投放，太空處置，冰層封存以及地質(zhì)深埋等。地質(zhì)深埋法是目前公認的針對高放廢料的一個最為有效可行的處理方法，中國，比利時，法國等國家都在進行處置庫選址，設(shè)計等一系列研究。

1.1核廢料分類

核廢料一般按照單位體積或單位質(zhì)量的放射性強弱可分類三類：低水平（低放），中水平（中放）和高水平（高放）。中放廢料和低放廢料主要是指核電站在發(fā)電過程中產(chǎn)生的具有放射性的廢液、廢物，占核廢料比重的90%以上；高放廢料是指從核電站反應(yīng)堆芯中換下來的燃燒后的核燃料。

1.2高放廢料

高放廢料包含在反應(yīng)堆堆芯中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物和超鈾元素，由于腐蝕熱而具有高放射性和高熱性，因此需要冷卻和屏蔽。它含有超過的2 kW/m3的熱功率，被認為是“燃燒”鈾的“灰”。高放廢料占發(fā)電過程中產(chǎn)生的總放射性的95%以上。高放廢料由長壽命元素和短壽命元素共同組成，這取決于特定放射性核素的放射性降低到不再對人類和周圍環(huán)境造成危害的水平所需的時間長短。

1.3深埋法

深埋法即對核廢料進行包裝后埋藏在距地表500至1000米的地下巖石中，保持核廢料與生物圈的隔離。為了確保核廢料不發(fā)生泄漏，避免環(huán)境污染，通常先將核廢料進行特殊處理和包裝，之后再集中儲存到地下修建的廢料處置庫中。

2.核廢料處置庫

處理和放置高放核廢料的主要目的在于保護環(huán)境不受核污染。這意味著分離或稀釋高放廢料，使得返回生物圈的任何放射性核素的速率或濃度是無害的。為了確保數(shù)萬年期間不會發(fā)生重大環(huán)境泄漏，對于核廢料處置庫處置計劃進行“多重保障系統(tǒng)”設(shè)計，它們將放射性元素固定在高放廢料內(nèi)，并且保證其與生物圈隔離。

“多重保障系統(tǒng)”設(shè)計主要分為以下幾步:

將處理后的核廢料固定在不溶性基質(zhì)如硼硅酸鹽玻璃或合成巖石中（燃料顆粒已經(jīng)是非常穩(wěn)定的陶瓷：UO2）；

將其密封在耐腐蝕容器內(nèi)，如不銹鋼；

將其深埋在地下系統(tǒng)中；

一旦核廢料放置好之后，系統(tǒng)中膨脹黏土芯的膨脹作用將關(guān)閉并且封閉系統(tǒng)。

一旦核廢料儲存庫關(guān)閉，當?shù)氐牡叵滤畻l件將進行自我恢復，主體巖層中的水將移動到核廢料儲存庫。膨脹土材料吸收水并膨脹，填充膨脹土和系統(tǒng)本身之間的間隙，以及由于開挖而導致的主巖中的裂縫。再次之后，隨后的膨脹受到主體巖石的限制，并且會產(chǎn)生溶脹壓力。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，膨脹壓力必須低于地下研究實驗室（URL）中的原位輕微應(yīng)力：7MPa。

在“多重保障系統(tǒng)”中，膨脹黏土芯對于系統(tǒng)最終的封閉起到至關(guān)重要的作用，因此各國在進行該系統(tǒng)的設(shè)計和完善時，大部分的研究都專注于尋找合適、高效，符合實際應(yīng)用條件的膨脹土材料。

3.法國核廢料處置庫中膨脹土的研究

在大多數(shù)情況下，使用膨潤土為基礎(chǔ)的混合材料常用來作為核廢料處置系統(tǒng)中的密封材料，不僅因為它具有高溶脹能力，低滲透性，還因為它的高放射性核素延遲性能。對于這類封閉材料的性能，法國已經(jīng)在多個實驗室中進行了研究，例如地下實驗室（URL）。

同時，法國輻射防護和核安全研究所（IRSN）推出了SEALEX項目，該項目與核廢料處置庫中的膨脹土的選擇有著密切的聯(lián)系，致力于研究現(xiàn)場試驗。

SEALEX項目主要研究有：

測試不同混合物（膨潤土顆粒/粉末混合物或者/砂/ 膨潤土混合物）和條件（預(yù)壓塊或原位壓實）在正常條件下密封系統(tǒng)的長期水力性能；

量化內(nèi)核的幾何特征（施工縫）對密封系統(tǒng)的液壓性能的影響；

量化條件的改變（由混凝土圍堵堵塞引起的膨脹壓力降低）對密封系統(tǒng)性能的影響。

4.結(jié)語

核廢料的處理越來越受到世界各國的重視，高放核廢料的地質(zhì)深埋處理法作為一種較為可行、高效的方法也成為了各國研究的重點。本文介紹了核廢料處置庫系統(tǒng)，并且介紹了法國近年來相關(guān)項目的研究方向，對于之后中國的核廢料處置庫的設(shè)計與研究具有一點參考價值。

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