放射性廢物的處理與處置高放處置

放射性廢物的處理與處置高放處置第1頁/共45頁高放廢物處置方法高放廢物（玻璃固化體）：4m3/(GW.a)特征：釋熱量高(2kW/m3)、長壽命α放射性、強β-γ放射性（4×1010Bq/L）、高放射毒性。處置方案：（1）可回取的空氣冷卻貯存數(shù)十年；（2）再以深地層或深海底放置。第2頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置高放廢物固化體處置方案（1）深巖洞處置（巖鹽、花崗巖）各國擬采用（2）廢礦井處置（鹽礦等）德國采用（3）深鉆孔處置（巖鹽、花崗巖等）實驗開發(fā)（4）深海床置（粘土）實驗開發(fā)（5）核嬗變處理

實驗開發(fā)（6）冰層處置設(shè)想（7）太空處置設(shè)想第3頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置高放廢物的深地層處置高放廢物的最終處置備受世人關(guān)注，是世界上最復(fù)雜的技術(shù)難題之一。高放廢物深地層處置的基礎(chǔ)：地球表面許多地區(qū)的地層長期以來（長達幾億年）極為穩(wěn)定，故可以放心地貯存廢物，實現(xiàn)與生物圈的長期隔離。適宜的地層主要有巖鹽、花崗巖、凝灰?guī)r、粘土巖等。第4頁/共45頁U-238U-235Pu-239裂變產(chǎn)物（FP）次錒系元素（MA）約95%約0.9%約1%約3%約0.1%表11-1壓水堆電站乏燃料主要核素組成高放廢物處置：將高放廢物同人類生活圈隔離起來。1957年美國國家科學(xué)院提出地質(zhì)處置方案。把高放廢物處置在500～1000m深的地質(zhì)體中，通過建造一個天然屏障和工程屏障相互補充的多重屏障體系，使高放廢物對人類和環(huán)境的有害影響低于審管機構(gòu)規(guī)定的限值，并且可合理達到盡可能低。放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.1高放廢物地質(zhì)處置第5頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置多重屏障體系（1）工程屏障：高放廢物固化體、包裝容器、緩沖/回填材料和處置庫工程構(gòu)筑物，這些構(gòu)成近場。近場包括全部工程屏障和最近工程屏障的一小部分主巖（通常伸展幾米或幾十米遠）。（2）天然屏障：主巖和外圍土層等，構(gòu)成遠場，即從處置庫近場一直延伸到地表生物圈的廣闊地帶。多重屏障體系的作用是依靠和發(fā)揮整體性能的作用，某一屏障的不足性可由其他屏障的作用來彌補。第6頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.2處置庫的選址尋找滿足要求的場址，難覓最佳場址。（1）構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查；（2）水文地質(zhì)調(diào)查（3）工程地質(zhì)調(diào)查；（4）地球化學(xué)調(diào)查（5）氣候/氣象調(diào)查；（6）人文/經(jīng)濟/社會調(diào)查主巖：花崗巖、凝灰?guī)r、巖鹽和黏土巖花崗巖：強度大、導(dǎo)熱系數(shù)大；穩(wěn)定性好，孔隙率小，含水量少。缺點是存在節(jié)理裂隙。第7頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置選址原則（1）地質(zhì)穩(wěn)定，遠離活斷層和強地震帶。（2）主巖有足夠厚度和面積。（3）水文地質(zhì)條件清楚。（4）主巖孔隙度小。（5）主巖導(dǎo)熱性能好。（6）主巖機械強度高、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性好。（7）主巖化學(xué)吸附性能良好。（8）人煙稀少，無地下資源。第8頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.3處置庫的設(shè)計建造高放廢物處置庫的概念設(shè)計在選定地層深處（大于500m）鉆孔或利用廢礦井建設(shè)處置庫，設(shè)置若干處置單元和處置孔。從處置孔中心往外形成一個由廢物體—廢物容器—縫隙—金屬套筒—回填材料—巖石組成的嚴密的阻滯和屏障系統(tǒng)。廢物放滿后封堵處置孔，最終關(guān)閉處置庫?？苫厝旆忾]難度更高。全部地下處置工作必須由地面操縱的機械完成。第9頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置通用概念設(shè)計方案：采用兩口以上的豎井分別輸運廢物和工作人員。在選定深度的工作層面上建巷道，根據(jù)高放廢物自釋熱和工程屏障熱傳導(dǎo)情況布置鉆孔，在鉆孔中疊放廢物罐厚封堵鉆孔。見圖11-1。第10頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置美國尤卡山處置庫概念設(shè)計方案：在300a內(nèi)可回取，設(shè)計在選定深度的工作層面上打出一條主巷道，在主巷道上分出許多支巷道，高放廢物貨包罐臥放在地下火車上，拉到設(shè)定存放的支巷道中，臥放在支巷道里，上面覆蓋防滴水作用的鈦防護罩。見圖11-2。第11頁/共45頁日本瑞浪地下

實驗室：位于花崗巖，～1000米第12頁/共45頁日本幌延

地下實驗室

~

500m

第13頁/共45頁瑞典深地質(zhì)處置：豎井--巷道型第14頁/共45頁美國內(nèi)華達州的尤卡山場址第15頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.4高放廢物處置的研究開發(fā)活動地下實驗室（URL）提供接近實際處置條件的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)，提供設(shè)計參數(shù)、實踐經(jīng)驗、人員培訓(xùn)，以及與公眾溝通和國際合作?，F(xiàn)在全世界已建成和在建的地下實驗室共17個，有8個已投入運作。分屬美國（凝灰?guī)r）、德國（廢鹽礦）、瑞士（花崗巖、粘土）、法國（粘土）、日本（花崗巖）、比利時（粘土）、加拿大（花崗巖）等。第16頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置（1）普通地下實驗室：德國Asse（2）特定場址地下實驗室：美國尤卡山ESF、芬蘭Onkalo、加拿大Whiteshell和比利時Mol。地下實驗室的選型和費用估算建特定場址地下實驗室的前提條件是處置庫場址已基本選定。達到億歐元級水平第17頁/共45頁加拿大地下實驗室第18頁/共45頁瑞典ASPO地下實驗室外景第19頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置地下實驗室的功能和作用地下實驗室是建庫的一次實際演習(xí)。（1）開發(fā)場址特性評價和場址監(jiān)測的方法與設(shè)備（2）試驗和驗證處置庫模型（3）開發(fā)建庫工程技術(shù)方法和設(shè)備，積累經(jīng)驗，培訓(xùn)人員（4）支持監(jiān)管活動（5）吸引國際合作（6）提高公眾對高放處置的了解、信任和支持第20頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置天然類比研究提供佐證提供借鑒提供旁證鈾（釷）礦自然類比研究中核、南大：鈾礦石和圍巖中的鈾釷遷移范圍十分有限，在5×106年間不超過30～35m。東華：青銅文物的腐蝕和模擬研究。第21頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置天然物考古自然類比研究奧克洛現(xiàn)象：西非加蓬共和國的奧克洛天然反應(yīng)堆，在20億年前發(fā)生鏈式反應(yīng)，持續(xù)約105～106年，“燃燒”了1000~2000t鈾，產(chǎn)生了大量裂變產(chǎn)物和錒系核素，估計產(chǎn)生了4t钚，20億年僅僅遷移幾米遠，證明地質(zhì)構(gòu)造可以實現(xiàn)安全隔離放射性核素。第22頁/共45頁古老的核反應(yīng)堆——奧克洛鈾礦第23頁/共45頁青銅文物腐蝕層的研究

疏松亞層、Cu氧化物亞層、

Cu碳酸鹽亞層

第24頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置天然玻璃體——高放廢物玻璃固化體的耐久性。鐵隕石——高放廢物包裝容器腐蝕速率；金屬容器在處置環(huán)境中的腐蝕機理主要是化學(xué)和電化學(xué)作用。人物造考古自然類比研究馬王堆漢墓的發(fā)掘顯示了木炭和黏土密封層2100年隔水、隔氣的有效性，黏土類物質(zhì)作為緩沖和回填材料對廢物處置工程屏障的有效作用。第25頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置評價模式和參數(shù)高放廢物處置庫安全隔離的期限遠遠超出了現(xiàn)有試驗和驗證的時間與空間尺度，只能依靠數(shù)學(xué)模式計算來推斷。廢物處置系統(tǒng)的安全評價需要開發(fā)和使用能夠定量描述處置系統(tǒng)重要情景及其后果的模式。建立模式通常要作許多簡化和假定，需要用許多參數(shù)。選用復(fù)雜模式可能有些數(shù)據(jù)不容易獲得，而且存在較大的不確定度。參數(shù)獲取的難度和工作量都很大。第26頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置情景分析和后果分析識別會導(dǎo)致處置庫性能改變或造成放射性核素轉(zhuǎn)移到生物圈和可能引起生物學(xué)后果的過程或事件：自然產(chǎn)生的，廢物本身誘發(fā)的，人類活動引起的。美國尤卡山處置庫：地質(zhì)災(zāi)害火山活動核臨界事故人類闖入氣候改變第27頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置不確定度分析和靈敏度分析不確定度分析使一個系統(tǒng)的預(yù)測性能與真實性能偏離的程度定量化。不確定度主要來自兩個方面：一是來自模式和參數(shù)接近真實系統(tǒng)的程度；二是來自人類活動、地質(zhì)和氣候變化及處置系統(tǒng)長期演變的不確定性。靈敏度分析幫助找出對安全評價結(jié)果有重要影響的那些參數(shù)和假定。安全評價數(shù)據(jù)庫建設(shè)第28頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.5核素遷移研究處置在500～1000m深地下的廢物體處于溫度場（T）－滲流場（H）－應(yīng)力場（M）－化學(xué)場（C）－生物場（B）－輻射場（R）耦合作用的環(huán)境中。核素遷移過程的物理化學(xué)行為十分復(fù)雜，影響因素很多：核素的物理化學(xué)性質(zhì)如水解、聚合、吸附、溶解、配合、沉淀、礦化、氧化還原、離子交換等；環(huán)境條件如Ph、Eh、離子強度、溫度、輻射場、壓力和應(yīng)力以及微生物和腐殖質(zhì)的存在等。第29頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置遷移作用：正向作用如溶解、彌散、擴散、滲透、地下水輸運、膠體載帶、微生物載帶；逆向作用如自身衰變、離子交換、吸附、沉淀、沉降、聚凝、礦化、分散稀釋等，實際的遷移，是這兩方面因素共同作用和平衡的結(jié)果。遷移類型：機械遷移、物理化學(xué)遷移、生物遷移遷移載體：地下水的運動速度和方向是關(guān)鍵因素。重要核素：長壽命核素239Pu、237Np、99Tc、129I；特長壽命核素126Sn、79Se、36Cl、107Pd、59Ni等。第30頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置核素遷移研究分配系數(shù)Kd（ml/g）：表征平衡時放射性核素在液相與固相分配特征。擴散系數(shù)Da（m2/s）：擴散是由濃度差引起的，遵循費克定律。滯留因子Rf：Kd值越大說明固相滯留核素的能力越強。第31頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置配合反應(yīng)：陰離子與核素的陽離子發(fā)生配合反應(yīng)，改變核素形態(tài)，影響它們遷移行為。水解反應(yīng)：錒系核素在中性和堿性條件下發(fā)生水解反應(yīng)。膠體的形成：膠體是促進Np、Pu、Am、Cm、Th傳輸和遷移的重要載體。腐殖質(zhì)作用：錒系元素可形成腐殖質(zhì)配合物，增加在地下水中的溶解度，促進錒系核素的遷移作用；另一方面，它又容易被黏土和巖石物質(zhì)所吸附，這有阻滯錒系核素遷移的作用。第32頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置微生物作用（1）微生物酶的催化作用促進廢物固化體貯罐的腐蝕；（2）侵蝕玻璃固化體；（3）改變地下水的PH和Eh；（4）破壞緩沖/回填材料——膨潤土；（5）生物降解腐殖質(zhì)，產(chǎn)生CO2和CH4等氣體；（6）直接攝取核素——吸附、吞食和滯留核素；（7）作為配位體，絡(luò)合核素和促進核素的遷移；（8）作為核素的載體，形成假膠體；第33頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置輻解作用水輻解會產(chǎn)生自由基、氧化劑H2O2和還原劑H2，廢物輻解形成NOx、SOx、CO2和CH4等氣體和酸性物質(zhì)，加速金屬容器的腐蝕；也會改變地下水pH，改變核素的氧化還原態(tài)。氣體的生成金屬腐蝕和微生物降解有機物是產(chǎn)生氣體的主要來源。第34頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置11.6高放廢物處置的國際現(xiàn)狀進展遲緩乏燃料是資源還是廢物有爭論處置庫選址條件高，場址難找處置費用大，技術(shù)難度高，資源不足公眾對處置安全性的認同和社會/政治阻力第35頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置美國已建成運行WIPP位于新墨西哥州的卡爾斯巴德，屬超鈾廢物隔離試驗設(shè)施，投資20多億美元，1999年3月正式投入使用，屬于深地質(zhì)處置庫，處置容量17.6萬m3。離地面650m深地下的鹽層中，處置庫有7個單元，每個高6m×寬10m×長100m，設(shè)有4個豎井運送人員、材料、廢物和通風(fēng)。處置軍工核設(shè)施700m3需遠距離操作的超鈾廢物，17萬m3可直接操作（表面劑量率小于2mSv/h）的超鈾廢物，設(shè)計運行35年，期間廢物可以回取。第36頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置美國尤卡山處置庫正在建設(shè)1983年在6個州選出9個預(yù)選場址，1989年選定尤卡山；1998年完成可行性報告，2002年批準建設(shè)，計劃2016年建成。南距拉斯維加斯180km，東距內(nèi)華達核試驗場35km，處置庫位于地表下300m。設(shè)計容量為7萬t，100年內(nèi)可回取，預(yù)計投資600億美元?，F(xiàn)已建立特定場址地下實驗室ESF。第37頁/共45頁放射性廢物處理與處置

第十一章高放廢物處置芬蘭：建成地下實驗室2000年，選定奧爾基洛托核電站附近的花崗巖為處置場址，預(yù)計2010年建成ONKALO地下實驗室，計劃2012年開始建造處置庫。法國：高放研