第十一章-放射性废物处置

第十一章放射性废物处置第1节近地表处置将短寿命低中放废物（SL-LILW）置于地表上或地表下，设置或不设置工程屏障，最后加几米厚的防护覆盖层，或者将废物置于地表下几十米深的洞穴中处置。目前主要采用混凝土构造的沟壕、窖仓、井筒或地面墓堆。对短寿命低中放废物处置，一般认为隔离三、五百年就可以达到安全水平。第1节深地质处置深地质处置系指在地下几百米（500-1000m）深的稳定地层中，采用工程屏障和天然屏障相结合的多重屏障隔离体系，将高放废物和长寿命α废物与人类生物圈长期安全隔离的处置方式。目前核工业界已达成共识，深地质处置能提供一种高放废物安全、可靠的处置方法[1]。[1]EvelyneBerteletal.,ManagementofRecyclableFissileandFertileMaterials,Global2007,Boise,Idaho,Stept.9-13,2007,PP.300-303.深地质处置目前拟选用的处置岩体类型有：泥岩（粘土、页岩）、岩盐（盐层、盐丘）、结晶岩（花岗岩、玄武岩、片麻岩、辉长岩）等。高放废物再深地质处置库中有四层屏障与生物圈隔离：(1)高放废物本身，高放废物玻璃固化体或乏燃料元件具有很低的浸出率；(2)废物的包装钢桶，能阻止放射核素外移；(3)回填材料，保证废物与岩石间热和力学性质的连续性，并减少地下水直接与废物罐接触；(4)岩石的地质屏障。第1节地下深孔处置目前在石油和天然气工业中，钻几公里深的钻孔已属常规。据最近评估，一个全规模的4公里深的钻孔，可能在5个月内就能建成，花费约为$500万。基于这种工业技术成就，有人建议在地下几公里的稳定结晶岩层中，钻直径80cm、4km深的钻孔，下部2km放置直径50cm、高4.4m的乏燃料贮存容器（每个容器放置2个PWR乏燃料组件），容器间用膨润粘土塞子隔开。上部2km用粘土或混凝土充填并密封，这样每个深孔可处置400t乏燃料。1GWePWR，每年卸出约20t乏燃料，一个深孔就可以处置20年卸出的乏燃料，全寿期（60年）3个深孔处置就行了。深孔处置具有明显的优越性：(1)从废物处置位置到生物圈迁移途径大大加长。深孔处置比深地质处置库处置的辐射风险小几个数量级；(2)在几公里深孔结晶盐中，水分少，孔隙率和渗透性都很低；(3)在深孔中任何存在的水都会高盐度，由于结晶岩石密度较高，即使加热，高盐度的水也不可能靠对流上升到上层新鲜水中；(4)深孔场址比较容易找到。海洋底部也有合适的主岩体，在近海的板块上也可能已找到合适的场址。但是深孔处置还是刚刚提出的概念设想，深孔选址的知识目前很不充足，还有待今后深入研究。高放废物深地质处置，从1957年美国科学院提出设想，到2002年美国参、众两院先后通过了在尤卡山建造地质处置库议案，随后布什总统批准尤卡山为美国核废物最终处置库场址，历时45年的基础研究和场址评价。可见，高放废物深地质处置的艰难。11.1放射性废物处置概论11.1.1定义广义上讲，放射性废物处置包括全部的气载废物、液体废物及固体废物的处置。前两者通常是指将经过处理合格的废气或废水排放到大气或水体的过程；而后者则是是为了减少放射性废物对人类和环境的危害，把经过整备处理的放射性废物（如高放废液的固化体等）放置在一个不可回取的、有多重屏障的专门设施中，保证放射性核素衰变到安全水平之前与人类生物圈隔离所采取的措施。本章所涉及放射性废物处置主要是指固体废物的处置，同时简要介绍适于中放废液处置的水力压裂法。放射性废物处置包括如下要点：(1)被处置的对象为符合处置要求的废物包；(2)需要按审管要求在选定的场址上建设处置设施；(3)废物处置必须经过审管部门批准；(4)处置意味着不打算回取废物；(5)处置系统的功能是保持废物与人类环境长期隔离，包括限制废物中的放射性核素向环境释放、保护废物不受环境过程的干扰两方面内容。11.1.2处置原理放射性废物的处置原理包括贮存衰变和迁移与扩散两种1。所谓贮存衰变通称为“包容”(或浓集和约束)，就是在所要求的期间内尽量将废物保存在同一个地方，放射性核素经过充分衰变达到无害化水平。近地表处置方法总的包容期可达300年左右，特别适合于含短半衰期核素的低中放废物的处置。经过了这个总的包容期之后，废物中的短寿命核素和长寿命核素均达到极低水平，以致于这些核素进行任何程度的扩散都是可以接受的。迁移与扩散是让废物通过自然过程以多种形式向环境进行转移，达到稀释的目的，而且稀释后的浓度不存在不可接受的危害。对于含有长寿命核素的高放废物来说，采用这种方法进行处置是有明显可取之处的。因为，它们的浓度通过衰变只会缓慢地减少，而将其长期包容在某一地方必然存在一种潜在的危险。最好的方案就是设计一个系统，先将废物包容一段时期（取决于废物种类），然后允许其进行缓慢的迁移与扩散。11.1.3处置方案及处置场地不同种类的废物，采用不同的处置方法。IAEA推荐，短寿命低中放废物（SL-LILW）采取近地表处置；长寿命低中放废物（LI-LILW）和高放废物（HLW）采取深地质处置。目前，国际社会的普遍共识是半衰期低于30a的短寿命低中放废物适于近地表处置（5~10m），废物处理的重点是以减容为目的；而长寿命低中放废物（α废物）及高放废物大多倾向于采用深地层处置（500~1000m），强调地下实验室建设和现场试验以及低、中、高放废物的综合处置方式。最近，又提出了中深地层处置场概念，实际上就是将浅埋中、低放废物加深，要求上部有20m厚土壤覆盖，从而降低了这些废物返回人类生活环境的可能性，同时不易受天然灾害影响。处置场关闭后，地面还可以恢复，供其它方面使用。也可以说是类似于洞穴处置的一种形式。各国在各种场址的选择上，都强调了就地、就近的原则，并在积极研究利用废矿坑、天然溶洞的可能性。根据不同类型的废物的处置要求，分别研究其适用的场地和安全性。当然，处置场地远离人类环境也是十分必要的。11.1.4国家政策与国际合作放射性废物的地质处置必须取得国家政府的支持及社会民众认可。因为放射性废物的处置有关千秋万代的人类健康，要求高、耗资大、周期长、涉及的学科面广，多采用系统工程方法加以分析和提出对策，没有政府在政策上的支持及资金方面的保障是很难实施的。另一方面，处置场的建设、运行等如得不到当地民众的理解与接受，也不可能顺利实施。目前国际上一致认为每个国家在道义和法律上都应对自已的核废物负责，因此主张所有核废物都将在相关国家中得到妥善处置。现在，高放废物的处置都已被纳入各国的国家战略之中。然而，放射性废物的地质处置是一个涉及因素多、持续时间长、风险高的系统工程，所以，有核国家应该共享地质优势、技术成果及以往的经验教训等，加强国际交流与合作。这样既可以节约资金、促进技术的迅速发展，又能够充分利用适于进行地质处置的地质条件，降低环境风险。有些国家产生的高放废物量不多，没必要建设地质处置库；有些国家没有适于建设国家地质处置库的地质条件，这些国家更倾向于国际合作，共享具有经济优势的多国处置库2。1998年，IAEA出版了一份技术文件，指出了在实现多国处置库概念过程中应考虑的主要因素，包括技术（安全）、机构（法律、安全保障）、经济、社会政治（公众接受）和道德方面的问题3。并于2004年给出了多国处置库的结论及推荐意见。应当指出，从技术、经济、安全、环境等方面考虑，多国处置库的建设和运营均具有明显的优势，但是从社会、政治层面考虑，问题将会变得十分复杂。各国从其自身的政治利益出发，有可能使多国处置库问题陷入长期的外交谈判中。由于对放射性的害怕，对可能被选为处置库东道主国家的公众接受将是一个更加困难的问题。11.1.5建设周期及资金保障地质处置库建设周期较长，所需经费较大。据美国经验，建设一个浅埋处置场需5年，而高放废物处置场则需二、三十年研究和建设期。截止2002年，美国、法国、加拿大、日本等世界上主要有核国家均对处置库的建设成本进行了分析，预测结果见表11-1。从表中数据可以看出，尽管各国处置的规模不同、概念设计不同、处置条件不同、估算假设不同，导致所得的单位处置成本结果有一定的差别，但整体上还是反应出一定的规律。如高放废物地质处置库的建设成本多在几十甚至几百亿美元，而每吨重金属（tHM）的单位处置成本在十几到几十万美元之间，多数集中在50~80万美元/tHM之间。表11-1一些国家废物管理成本有关数据表国家处置对象数量围岩估算的总成本单位成本(万美元/tHM)捷克乏燃料3724tHM花岗岩469亿捷克克郎47.8芬兰乏燃料5600tHM花岗岩25亿欧元53.0瑞典乏燃料7800tHM结晶岩320亿瑞典克郎47.5美国乏燃料为主97000tHM凝灰岩575亿美元59.3斯洛伐克乏燃料2500tHM结晶岩沉积岩752亿斯洛伐克克郎86.4日本后处理的固化体32000tHM硬质岩石软质岩石27489亿日元28610亿日元73.076.0瑞士后处理固化体或固化体+乏燃料共3000tHM1200tHM已确定后处理,其余待定粘土29亿瑞士法郎74.6英国后处理的固化体+乏燃料约10620tHM4700t乏燃料7400罐固化体按坚硬岩石估算50亿英镑78.8法国后处理的固化体80000m3(B)6000m3(C)粘土岩或花岗岩150亿欧元未计算加拿大CANDU乏燃料73000tHM(3.7百万束)结晶岩162亿加元16.7另外，各国还对本国处置库的成本组成进行了统计分析，内容包括研发、建库、废物罐、运行费及关闭费用等，具体见表11-2。表5-3世界各国处置库费用组成统计表国家费用/比例处置库费用研发建库废物罐运输运行封闭其它总计①美国亿美元65.854.9132.968.0158.98.286.5575.2比例(%)11.49.522.411.827.61.415.0100.0瑞典十亿克朗7.717.519.63.55.645.5比例（%）17②38.5②43.112100斯洛伐克百万SK93.2202.1105.0163.032.6752比例（%）12.326.814.021.74.3100日本百亿日元33.895.571.58.280.6289.1比例（%）11.733.024.72.827.8100各国比例范围11.4~17.031.9~40.821.7~39.41.4~4.31~27.8注：①表中的总经费不含暂存、核电站退役及中低放处置经费。②瑞典研发经费中含对中低放处置的研发成本,建库经费包含运行与封闭成本。从表中数据可以各国在经费构成方面有许多共性，主要表现在如下几方面：（1）研发经费约占10%以上；（2）建库和包装材料约占30~40%左右，如果设计概念中对人工屏障要求较高，则废物包装材料成本比例相应提高，如美国和瑞典的处置库；运行运输经费在20~40%左右，关闭经费约10%以下。为确保建设资金，国际通行的方法是建立法定的筹资机制和标准。在充分考虑专家意见基础上，建议我国高放废物地质处置的资金筹措应当采取2种渠道：一是从核电的电费中提取，这部分费用主要是用于核电站产生的高放废物的最终处置；二是由政府财政支出，其主要用途是处置核军工产生的高放废物以及公益性单位产生的高放固体废物。除意大利由政府负责外，比利时、英国、法国则由废物产生者承担。美国、瑞士、瑞典、荷兰、芬兰、德国、加拿大等都通过电税电价由电力公司提供，平均每度电增加0.2~0.4厘(美元)。11.2低中放废物近地表处置11.2.1低中放废物近地表处置发展概况低中放废物近地表处置是在具有几米厚的防护覆盖层的地表上或地表下、或者在地表下几十米的岩洞中处置废物。这种处置可带有工程屏障，也可不带工程屏障。国际社会公认，包括90Sr和l37Cs等半衰期小于30a的短寿命放射性废物，以及不超过规定比活度限值的长寿命核素可统称为低中放废物，适于近地表处置。一般要求其处置系统的有效期为300～500a，即相当于主要的短寿命核素10个以上半衰期的期限。实际上由于地质屏障的作用，有效隔离期限会更长一些。低中放废物置所要求的隔离程度并不是零释放，而是指