談核廢料地質深埋法

（同濟大學 上海市 200092）

談核廢料地質深埋法

陳 洋

（同濟大學 上海市 200092）

核能在全世界范圍已經得到越來越多的應用，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”以及系統中關鍵的膨脹土材料，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場試驗。

核廢料，核廢料處置庫，多重障礙系統，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，經歷幾十年的發展，已經相對成熟，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，冰層封存以及地質深埋等。地質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電過程中產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堆堆芯中產生的裂變產物和超鈾元素，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”。高放廢料占發電過程中產生的總放射性的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生泄漏，避免環境污染，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。為了確保數萬年期間不會發生重大環境泄漏，對于核廢料處置庫處置計劃進行“多重保障系統”設計，它們將放射性元素固定在高放廢料內，并且保證其與生物圈隔離。

“多重保障系統”設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如硼硅酸鹽玻璃或合成巖石中（燃料顆粒已經是非常穩定的陶瓷：UO2）；

將其密封在耐腐蝕容器內，如不銹鋼；

將其深埋在地下系統中；

一旦核廢料放置好之后，系統中膨脹黏土芯的膨脹作用將關閉并且封閉系統。

一旦核廢料儲存庫關閉，當地的地下水條件將進行自我恢復，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，并且會產生溶脹壓力。為了確保系統的穩定性，膨脹壓力必須低于地下研究實驗室（URL）中的原位輕微應力：7MPa。

在“多重保障系統”中，膨脹黏土芯對于系統最終的封閉起到至關重要的作用，因此各國在進行該系統的設計和完善時，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

在大多數情況下，使用膨潤土為基礎的混合材料常用來作為核廢料處置系統中的密封材料，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系，致力于研究現場試驗。

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（預壓塊或原位壓實）在正常條件下密封系統的長期水力性能；

量化內核的幾何特征（施工縫）對密封系統的液壓性能的影響；

量化條件的改變（由混凝土圍堵堵塞引起的膨脹壓力降低）對密封系統性能的影響。

4.結語

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，并且介紹了法國近年來相關項目的研究方向，對于之后中國的核廢料處置庫的設計與研究具有一點參考價值。

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