我國高放廢物地質處置地下實驗室安全問題探析

(生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)

地下實驗室(Underground Experimental Facility)又稱地下研究實驗室(Underground Research Laboratory，URL),是為研究在與深部處置庫相似地質條件下處置高水平放射性廢物的可行性,而在某種預定巖石深處建造的地下模擬處置研究設施,地下實驗室是高放廢物地質處置可行性論證及實施中的關鍵步驟。2006年,原國防科學技術工業(yè)委員會、科學技術部和原國家環(huán)境保護總局聯合下發(fā)《高放廢物地質處置研究開發(fā)規(guī)劃指南》,提出2020年前后,初步選出處置庫場址,完成地下實驗室建造的安全審評。國務院批復的《核安全與放射性廢物污染防治“十三五”規(guī)劃及2025遠景目標》明確提出“十三五”期間開工建設高放廢物地質處置地下實驗室。然而,地下實驗室作為位于地下500 m深度的地下科研設施,與其他類型地下工程相比,具有顯著的差異性和復雜性,其環(huán)境影響和安全影響以及建設投資都較大。我國首次建設這類設施,在國家層面,缺乏地下實驗室建設的技術標準、地下實驗室的審評標準和程序等。

目前,地下實驗室已經成為各國開展高放廢物地質處置研究的必需和常規(guī)手段,北美、西歐和日韓等已建成了20多個地下實驗室。地下實驗室工程的建設與應用,有力推動高放廢物地質處置技術的發(fā)展,從中獲得的關鍵參數為處置庫工程設計和安全評價提供了重要輸入,地下實驗室的運行經驗也為未來處置庫的運行提供了參考。各國對地下實驗室的要求不一,但核與輻射安全監(jiān)管部門都對其開展安全審查,具體審查形式取決于地下實驗室的功能。本文根據我國地質處置地下實驗室的功能定位,結合國外地下實驗室的相關要求和實踐,闡述了地下實驗室安全審查需要重點關注的幾個關鍵問題,并提出相關建議。

1 地下實驗室的功能與分類

國際上,地下實驗室的研究工作始于1965年。早期的地下實驗室主要開展方法學研究,與處置庫場址沒有直接聯系,通常稱為一般型地下實驗室(詳見表1)。

根據地質處置工程驗證和處置庫建設的需要,出現了專門針對具體處置庫場址特性研究的特定場址型地下實驗室。它是在高放廢物處置庫預選場址上建造的地下設施,具有方法學研究和場址評價雙重作用。從中所獲的數據可直接用于處置庫設計和安全評價。這種地下實驗室在條件成熟時可直接改擴建成處置庫。國際上的“特定場址型”地下實驗室見表2。

根據我國地下工程建筑和審評技術要求,立足于為以后高放處置庫評價提供關鍵參數,目前我國地下實驗室應滿足深部地質安全與環(huán)境評價、工程尺度試驗驗證、處置庫開挖方法驗證、高放廢物處置工藝驗證、公眾溝通平臺和后勤保障等六大功能。

表1 一般型地下實驗室Table 1 Generic underground laboratories

表2 特定場址型地下實驗室

2 國外地下實驗室相關安全要求與審查實踐

2.1 瑞典sp?實驗室

對于地下實驗室的建設,SKB還須開展獨立的環(huán)境影響評估,由環(huán)境部負責審查。環(huán)境影響評估主要涉及工程對噪聲、水土和大氣等一般性環(huán)境要素的影響。

2.2 芬蘭

芬蘭2001年開始建設的ONKALO實驗室為特定場址地下實驗室,是未來處置庫的一部分,其主要作用是進一步驗證處置庫已經確定場址的適宜性。芬蘭核與輻射安全局(STUK)將地下實驗室作為核設施進行審查。2001年,政府頒發(fā)Decision-in-Principle(DiP),將處置庫場址和地下實驗室建造作為一體批準。STUK在其發(fā)布的放射性廢物處置導則中，詳細規(guī)定了地下實驗室建造前需要批準的文件,包括地下實驗室及其建設節(jié)點與方法的詳細描述、地下實驗室建造對處置庫場址圍巖所致潛在影響(尤其是長期安全方面)的描述、安全分級文件、建造期間質量管理報告、對預期放入其中的核材料就防止核武器擴散所做的安保計劃、為利于STUK監(jiān)管控制所做安排的描述等。

2003年2月,STUK就ONKALO的概念方案發(fā)布審查意見。STUK認為,進入通道不應位于意在處置的巖體之上,也不應位于其附近,這可以降低對處置庫造成化學或力學干擾的可能性。另一方面,STUK還建議進入路徑不應穿過自流裂隙區(qū),或位于地下水排泄區(qū)。根據乏燃料處置的一般安全要求,地下實驗室的設計和地下建造與調查方法必須以最佳方式保持對長期安全重要的圍巖特征。由于預期對圍巖的干擾大多數都來自水流狀況的變化,將ONKALO的流入最小化是ONKALO設計的核心要求之一。實際上,這意味著需要避免高透過率的區(qū)域,這也正是STUK的建議。

2.3 美國

美國《核廢物政策法》第2章對高水平放射性廢物和乏燃料處置的研究、開發(fā)和驗證做了詳細規(guī)定，要求能源部制定一項關于高放廢物和乏燃料處置研究與開發(fā)的任務計劃(Mission Plan)，包括試驗與評價設施的規(guī)劃與建造。在法律頒布后的6個月內，能源部(DOE)在與核管會、環(huán)保署等機構協商后，頒布關于試驗和評價設施選址的一般導則。應與受影響的州協商與合作，開展試驗與評價設施的選址，并簽署書面協議。在試驗與評價設施挖掘與建造和利用放射性物質進行試驗前，DOE應編制環(huán)境評價報告。

在法律頒布后的一年內，DOE應與核管理委員會(NRC)達成一項書面理解，為試驗和評價設施的計劃、建造和運行，制定評審、協商和協調程序。在DOE與NRC達成書面理解之前不得為試驗和評價設施挖掘任何豎井。如果試驗和評價設施不在處置庫場址中，DOE應就該設施的去污和退役征得NRC同意。

在法律頒布后的一年內，DOE應向國會提交報告，說明是否計劃將試驗和評價設施建在在處置庫場址。如果將試驗和評價設施設置在候選場址或處置庫場址，則應依照處置庫選址和開發(fā)的程序和要求進行該設施的選址和開發(fā)。在NRC頒布處置庫建造許可之前，DOE不得開工建造該試驗和評價設施的任何地表設施。不得將試驗和評價設施轉變?yōu)樘幹脦?，除非該設施的選址和開發(fā)是按照處置庫選址和開發(fā)程序和要求進行的。在指定候選場址或被推薦為處置庫的場址生效前，DOE不得在該場址上建造試驗和評價設施。

核管會對任務計劃進行審議(SECY-84-17)后認為，在選定場址上建造試驗與評價設施更有價值，所獲信息有助于確認場址性能和優(yōu)化處置庫系統(tǒng)設計，有助于驗證與處置庫運行相關的技術。

2.4 法國

法國《放射性材料和放射性廢物規(guī)劃法》 要求建造深地質處置設施的許可申請，僅應針對已經在地下實驗室得到驗證的地質構造。而在位于深地質構造中的地下研究實驗室或深地質處置庫中開展試驗前，均應根據1892年頒布的因公共活動而造成財產損壞的法律細則開展初步研究。針對每個地下實驗室，均應成立一個地方性信息和監(jiān)察委員會，該委員會應獲得以下資料：地下實驗室計劃的目標、所開展的工作性質以及獲得的成果。

根據法律要求，應從研究處置或貯存高放廢物的適宜性角度出發(fā)，制定地下研究實驗室的實施細則。根據實施細則，在開展所有涉及地下實驗室項目的初步研究工作前，應向主管部門和相關場址周圍居民進行咨詢。

根據相關細則要求，在完成影響評價、征得相關當局和地方委員會意見、舉辦公眾聽證會后，應根據國家頒布的許可證，運行地下研究設施。上述許可證應附有詳細的技術規(guī)范。許可證中還包括保護性區(qū)域。從技術角度考慮，行政部門可以禁止發(fā)生在該區(qū)域內可能危及設施完整性或地下實驗室運行的相關作業(yè)或活動。不得在實驗室貯存或處置任何放射性廢物。僅作為試驗為目的，放射源才可臨時用于上述地下實驗室。

2.5 啟示與借鑒

從國際上看,地下實驗室的建造均需要安全審查,但安全審查的形式和詳細程度不一,主要取決于地下實驗室的功能定位。

對于一般地下實驗室,作為與高放廢物處置相關研發(fā)計劃的一部分進行審查,如瑞典、美國等。

對于處置場址或候選場址上的地下實驗室,通常作為處置設施的一部分,采用與核設施相同的安全監(jiān)管與審查方式,如芬蘭、法國等。

安全審查涵蓋主要包括以下內容：

1)地下實驗室的目的、建造方法和建設內容;

2)地下實驗室所開展的試驗及其與地質處置庫安全分析之間的關系;

3)若在處置庫場址或候選場址上建造,須分析地下實驗室對處置庫場址的影響;

4)地下實驗室自身的安全影響,包括工程安全和設備安全等。

3 地下實驗室安全的幾個重要問題

3.1 安全關注的范圍

從前述分析看,對地下實驗室安全的關注范圍和程度取決于其功能定位。根據我國地下實驗室工程研發(fā)相關規(guī)劃,我國高放廢物地質處置地下實驗室是為高放廢物地質處置技術研究開發(fā)服務的試驗平臺,既不同于普通的地下工程,又不同于核設施。其主要作用是：研發(fā)處置技術、獲取場址特性數據、驗證工程屏障性能,為安全評價和環(huán)境影響評價提供輸入數據,為處置庫項目審批提供支持。地下實驗室的選址考慮未來作為處置庫場址的可能性。因此,我國地下實驗室安全審查的關注范圍應隨著地下實驗室項目的進展情況逐步變化。建造之前主要從地下實驗室試驗結果作為地質處置庫安全評價的輸入角度,審查試驗的設置和實施計劃等。若根據現場試驗的結果,地下實驗室場址有轉化為處置場址的可能,應重點關注地下實驗室的建造對未來處置場址圍巖安全特性的影響。

3.2 試驗計劃

應從地下實驗室試驗項目及其結果在安全全過程系統(tǒng)分析中的作用角度,詳細闡述在地下實驗室所開展的試驗項目及其目的和實施計劃,分析試驗項目與地下實驗室的功能定位之間的關系。

從安全分析角度,試驗項目設置是否充分和完備、試驗過程的質量控制程序是否完善、措施是否適當等是安全審查應關注的重點。

從環(huán)境影響評估角度,在地下實驗室中所開展放射性試驗的包絡性源項是安全審查的一個重要依據和出發(fā)點。

3.3 場址及圍巖安全特性

地下實驗室的一個重要作用是為建立場址調查和特性評價提供技術和方法,為處置庫場址特性評價和安全評價提供重要參數的數據輸入等。因此,場址調查和特性評價等方面信息是安全審查的另一個重要關注點。應詳細說明場址特性,包括圍巖、地質、水文、地球化學等的調查與評價情況,并說明需要通過開展試驗獲得的場址特性信息。

應從長期安全角度,鑒別可能對未來處置庫場址及圍巖安全特性和功能造成影響的與地下實驗室建造相關的特性、事件和過程,評價和論證其隨時間的演變行為,包括對圍巖地質、水文地質、地球化學等方面特性的影響。

應評估上述影響的程度,并說明為減少這種影響所采取的技術和管理措施。

3.4 安全全過程系統(tǒng)分析

應說明為實現試驗的目的而設置的地下工程設施,以及為實驗室運行設置的各類設施,描述各類設施的功能要求與建造目標。說明地下實驗室的概念設計及其安全理念。說明地下實驗室的設計基準、設計規(guī)格和系統(tǒng)布置等。

應將地下實驗室的相關活動納入高放廢物地質處置安全全過程系統(tǒng)分析中,將地下實驗室選址、建造和試驗開展的相關文件作為安全全過程系統(tǒng)評價文件體系中的一部分。根據地下試驗及其結果在安全全過程系統(tǒng)分析中的作用,分析和論證需要在地下實驗室中開展驗證和研究的處置系統(tǒng)各組成部分的關鍵特性、事件和過程,評價試驗活動和計劃的合理性與充分性。

應分析試驗數據獲取中的不確定性及其來源和分類,包括參數、模型和景象等,說明減少不確定性的管理方案。

3.5 工程安全

地下實驗室是一項地下工程,應關注地下工程的安全風險,包括工程穩(wěn)定性、人員防護等。應描述地下實驗室建造和運行期間相關設備的特性及操作程序,評估建造和運行期間設備及其操作的安全性。

4 結論與建議

地下實驗室是地質處置庫場址和工程關鍵特性驗證的重要手段。從處置庫安全審查角度,需要跟蹤了解地下實驗室安全相關試驗項目的設置與開展情況。同時,鑒于地下試驗所得數據和結果可直接用于地質處置庫安全評價與全過程系統(tǒng)分析,有必要了解和初步審查相關數據和結果的獲取方法與技術,這也有利于安全監(jiān)管的早期參與和審評能力的建立,最大化地保護環(huán)境與人員安全。應將地下實驗室選址、建造、運行和試驗設置、開展和結果等信息作為地質處置庫安全全過程系統(tǒng)分析的一部分。地下實驗室安全審查的重點為地下實驗室建設的目的、規(guī)模、方案,包括建造、運行和關閉的時間節(jié)點等信息;地下實驗室的試驗計劃及其與高放廢物地質處置安全全過程系統(tǒng)分析之間的關系;地下實驗室的建造對未來處置庫場址及圍巖安全特性的影響以及地下實驗室自身的安全性。