深地質處置

深地質處置是指把高放廢物埋藏在距地表深約500～1000m的地下深處,使之永久與人類生存環境隔離，是對於核廢料的一種隔離處置法。是在深部地質體中建造洞穴，將放射性廢物永久隔離的處置方法。包括深部鑽孔處置和深部礦山式處置，前者處置深度達數千米，後者一般為300～1500米。處置庫圍岩包括花崗岩類、粘土岩、凝灰岩和岩鹽等，被處置的廢物為高放廢物玻璃固化體、乏燃料和α廢物等。對放射性廢物進行深地質處置是一項複雜的系統工程。在技術上包括選址和場址評價、建造地下實驗室及設計、建造、運行和關閉的處置庫。被認為深地質處置是安全處置高放廢物最現實可行的方法。

基本介紹

• 中文名：深地質處置
• 外文名：deep geological disposal
• 埋置範圍：500-1000 m
• 用途：高放廢物處理
• 領域：核能領域
• 學科：核地質學

背景

長壽命核廢料（包括乏燃料）必須長期同人類和環境隔絕。把這些廢料存放在穩定地質構造中人工建造的地下儲存所（repository）是一種可行的方案。 國際裂變材料專門委員會(International Panel on Fissile Materials)曾表示：

“廣泛接受的看法認為，乏燃料、核燃料再處理的高放射性廢物以及鈽廢料需要在妥善設計的場所存放幾萬年到一百萬年，以減少其放射性對環境的污染。同時，必須確保鈽和高濃縮鈾不被用於軍事目的。一個基本的共識是，把乏燃料存放於地下幾百米的儲存場所要比將其堆放在地表更安全。”

非洲克洛天然核反應堆證實了天然地質構造可以有效地隔離放射性核廢料。在其運轉過程中，該反應堆共產生了5.4噸裂變產物、1.5噸鈽以及其他超鈾元素。這些鈽和其他超鈾元素至今仍存在於奧克洛的鈾礦中，時間跨度長達20億年。 考慮到該鈾礦經常被地下水浸潤，加之鈾礦石並非以化學惰性形態存在（比如玻璃態），這相當不同尋常。

地質處置安全，技術上可行，不污染環境已經是專業人士由來已久的共識。但是，許多國家的公眾對此仍有疑慮。 深地質處置支持者們面臨的挑戰之一是證明一個儲存所必須長時間可靠，且將來可能的泄露不會對人類健康和環境造成影響。

核燃料再處理並不能減少深地質處置的必要性，但卻能夠減少核廢料的體積以及中長期放射性和衰變熱。另一方面，核燃料再處理也無法消除儲存所選址的政治和社區風險。

深地質處置的含義

高放廢物的深地質處置是指將固體形式的高放廢物埋置在地下 500～1 000 m 的地質體中，即通過地表打豎井至深部、由豎井底部開鑿水平坑道，再在水平坑道中打豎井或支坑道，作為廢物的存放場所，最後進行封存，從而使之能長時間（至少 1萬年）與人類生存環境隔離。這些坑道和豎井便構成地下處置庫。

高放廢物深地質處置庫一般採用的是“多重屏障系統”設計,即把廢物儲存在廢物容器中,外面包裹回填材料,再向外為圍岩。一般把地下設施及廢物容器和回填材料稱為工程屏障,把周圍的地質體稱為天然屏障。

在這樣的體系中,地質介質起著雙重作用。既保護源項,也保護生物圈。具體地說,它保護著工程屏障不使人類闖入,免受風化作用;在相當長的地質時期內為工程屏障提供和保持穩定的物理和化學環境;對高放廢物向生物圈遷移起滯留和稀釋作用。各屏障之間具有相互加強的作用,其中天然屏障對於長期圈閉的作用至關重要。

國內研究進展

1985年,核工業總公司提出了“中國高放廢物深地質處置研究發展計畫”,同年,高放廢物處置庫選址工作便開始起步。現已完成全國篩選、區域篩選及地區篩選工作。

全國篩選工作主要完成於1985年至1986年參照其他國家選址工作經驗,在全國區域地質資料綜合分析、對比的基礎上,通過各地區地質條件、地質構造、岩石類型、水文地質條件等、自然地理、經濟地理及核工業布局等因素的進一步分析對比,在全國範圍內選出了五大區域作為進一步開展工作的候選區,它們是西南地區、廣東地區,內蒙地區、華東地區和西北地區。當時所考慮的處置庫候選圍岩包括花崗岩、凝灰岩、泥岩和頁岩。區域篩選工作完成於1986年至1988年。在全國篩選的基礎上,根據高放廢物處置庫選址條件和要求,進行了一系列內容廣泛的調查研究和實地地質考察工作,從上述五大區域中篩選出21個小區,進一步研究。自1989年以來,我國高放廢物處置庫選址工作的重點轉移到了某乾旱地區,該區域氣候乾旱,年降水量僅為幾十毫米,地表水和地下水都十分貧乏。地表為典型的荒漠,戈壁景觀。這裡人煙稀少,沒有工業和農業活動,大面積分布的花崗岩岩體構成了良好的處置庫圍岩,具有建造高放廢物處置庫得天獨厚的自然地理和經濟地理條件。幾年來,在這裡開展了地震地質、構造地質、地殼穩定性、水文地質、工程地質方面的研究工作。初步研究結果表明,北山地區地質條件、水文地質條件十分有利於處置庫的建造,值得在這裡開展進一步的研究工作。

如前所述,高放廢物深地質處置研究是一項綜合性的研究工作,在過去的十幾年中,我國除開展選址工作外,還開展了以下工作:

(1)國外地下實驗室調研;

(2)國外地質處置系統性能評價方法調研;

(3)國外高放廢物處置研究地球化學軟體引進

及開發研究;

(4)放射性核素遷移實驗研究;

(5)緩衝/回填材料力學、熱學性能研究;

(6)高放廢物處置庫預選場地地學信息庫建庫研究。

這些工作的開展,大大縮短了我國高放廢物地質處置研究領域與已開發國家的距離,並為今後工作提供了必要的人才和技術儲備

深地質處置的特點

從形式上看，高放廢物深地質處置的處置庫也是一項深部大型地下工程，但這類地下工程與一般地下工程相比有其特點，概括地講，表現在下列幾個方面：

（1）從時間跨度上來看，要求處置庫的安全期限至少在 1 萬年，這樣長的時間尺度要求超越了一般意義下社會或技術活動所涉及的時間尺度，也使性能評價中不確定性成為一個重要的必須考慮的因素和研究領域；

（2）從作用因素上看，處置庫不僅要經歷開挖和運營期間的力學擾動，更重要的還將長時間受放射性輻射和衰變熱的作用，因此，溫度場成為一個重要的因素；

（3）從評價目標上看出，不僅要評價處置庫的區域穩定性和圍岩的力學穩定，特別重要的是還要證核素在其有害的年限內不致遷移到生物圈而危害人類生態環境，因此，化學場和核素遷移規律的研究具有特別重要的意義；

（ 4） 從 研究的空間範圍看，由於要跟蹤核素遷移到生物圈的途徑並進行安全性評價，因此，其評價的空間範圍不僅限於受機械擾動的圍岩，更包括從處置庫到核素釋放到生物圈的整個地質體；

（5）從社會影響上看，由於核問題的敏感性和公眾的反核情緒，高放廢物處置庫不僅是一項純技術性的地下工程，更是一項政治和社會關注的工程，必須向公眾和監管機構提供充分的論證；

（6）從工程數量看，一般一個國家首先考慮 1個全國性的處置庫，因此工程數量少，工程積累的經驗和借鑑的可能性相對少。

各國儲存所的現狀

德國下薩克森的阿西二號鹽礦座落於阿西山中，自1965年以來被用作研究用途。1967年到1978年放射性廢物被儲存在該礦中。有研究指出，1988年以來該儲存所一直在泄露被銫-137、鈽和鍶等核素污染的鹽水；但直到2008年6月這一發現才被公諸於世。

位於德國薩克森－安哈特州的莫斯雷本放射性廢物儲存所也是一座廢棄的鹽礦。1972–1998年此礦被用於儲存核廢料。2003年以來，該礦一共澆築了480,000立方米的混凝土來穩定穹頂，否則鹽穹可能塌方。

美國新墨西哥州的廢物分離中試廠1999年正式運營。此廠位於卡爾斯巴德附近的地下鹽層中。

有人曾提議在澳大利亞和俄羅斯建立國際高放射性廢物儲存所。但是，該訊息在澳大利亞引發公眾持續抗議，儲存所的建設基本成為泡影。

1978年，美國能源部開始研究內華達核試驗場附近的瑜伽山用於長時間地質儲存乏燃料和高放射性核廢料的可行性。此計畫遭到了內華達州核計畫局（亦稱為“核廢料計畫辦公室”）以及其它一些組織的法律挑戰而嚴重拖延。歐巴馬總統上台後，於2009年在其年度預算中拒絕向該計畫撥款，並稱其政府將考慮新的核廢料處置戰略。 2009年3月5日，美國能源部長朱棣文在美國參議院作證時說，瑜伽山作為核廢料儲存所已經不再是選項之一。至此，至少在歐巴馬任內，瑜伽山儲存所計畫已經壽終正寢。

在德國，關於核廢料最終儲存所的政治辯論相當激烈， 特別是下薩克森格爾雷本（Gorleben）村村民激烈反對。在兩德統一之前，格爾雷本村位於西德邊境，人煙稀少，經濟困頓。但在統一之後，該村幾乎位於德國的中心地帶。2010年，默克爾政府決定重新開始格爾雷本作為核廢料儲存所的早期研究工作。

在幾個擬議建立深地質處置機構的國家中，芬蘭的昂加洛乏燃料儲存所最接近於投入使用。其第一批廢料埋藏預定在2020年左右，現在還在等待最終批准。瑞典對乏燃料的深地質處置也走在前列。其國會認為，使用KBS-3技術埋藏乏燃料很安全。

2008年，英國環境、食品和農村事務部（Defra）發表了名為“安全管理核廢料”的白皮書。同其它已開發國家不一樣的是，英國的計畫強調自願甚於地質結構的適用性。2012年6月，英國地質調查局找到了三處可能適合存放核廢料的地質結構。2013年1月，英國將決定是否進行下一步。

高放廢物深地質處置庫選址

高放廢物深地質處置的工程屏障將在一定時間後(300～1000 a 後)失效，對廢物的隔離最終要依賴天然屏障來完成；因此，選取一個有利的處置庫庫址是至關重要的。

高放廢物深地質處置庫選址因素與研究內容

核廢物處置庫天然屏障的有效性取決於處置庫的地質構造穩定性、圍岩的機械穩定性和地下水活動與核素遷移情況；因此，涉及到許多因素，要研究的內容很多。國際原子能機構建議選址的相關因素有地形、大地構造和地震、地下條件、地質構造、圍岩的物理化學性質、水文和水文地質、未來自然事件、地質和工程簡略條件和社會條件等共 9個方面。由於世界各國自然條件與實際情況的不同，各國根據各自的條件，在選址因素方面所考慮的因素及選址標準有所不同，如歐共體選址標準分為：岩石的物理化學性質、岩層、地質狀態等 3 類共 14個方面；美國的選址則主要考慮場地規模、水文地質、地球化學、地質特徵、構造環境、人類活動、地表特徵、環境因素及潛在社會經濟影響，我國的選址標準則又有所不同。

選址過程

無疑，選址過程是一個綜合反覆的過程。選址的一般程式是從大到小、由地表到深部，在眾多的初選點中，經過工作，選出幾個較好的預選點，後對這幾個預選點進行場地特性評價，從中選取出1 個最合適的處置庫場地。各國採用的選址過程並不完全相同，國際原子能機構 1982 年提出了一個 4階段的選址過程，即規劃與總體研究、區域概查、場址初選、場址確定，規定了各階段的目的任務。各國實際採用的選址階段與各階段的任務有所區別，美國核廢物處置庫的選址分為 4 步：鑑別可能場地；鑑別一組適宜進行特性評價的場地；推薦進行特性評價的場地；場地特性評價並根據特性評價結果，推薦出建庫場地。

研究與儲存

深地質處置已經有幾十年的研究歷史。實驗室測試、探井已經積累了很多數據；建造和運營地下實驗室並展開大規模存儲實驗也在進行中。 世界各國的主要地下研究機構見下表。

研究場所

國家	機構名稱	地點	地質條件	深度	運營狀態
比利時	海姿地下研究機構	摩爾	黏土	223米	1982年開始運營
加拿大	AECL地下實驗室	皮納瓦	花崗岩	420米	1990-2006年
芬蘭	昂加洛乏燃料儲存所	奧爾基洛托	花崗岩	400米	在建
法國	默茲-豪特-馬恩地下實驗室	比爾 (默茲省)	泥岩	500米	1999年開始運營
日本	幌延町地下實驗室	幌延町	沉積岩	500米	在建
日本	瑞浪市地下實驗室	瑞浪市	花崗岩	1000米	在建
韓國	韓國地下研究隧道		花崗岩	80米	2006年開始運營
瑞典	阿斯波硬岩實驗室	奧斯卡杉核電站	花崗岩	450米	1995年開始運營
瑞士	格里姆塞爾試驗場	格里姆塞爾關	花崗岩	450米	1984年開始運營
瑞士	泰利山岩石實驗室	泰利山	粘土岩	300米	1996年開始運營

儲存場所

國家	機構名稱	地點	廢料類型	地質條件	深度	運營狀態
阿根廷	德爾梅地奧山	蓋斯特雷村（Gastre]）		花崗岩		擬議中
比利時			高放射性廢物	黏土	~225米	擬議中
加拿大	安大略電廠深地質儲存所	安大略省	200,000 立方米低及中低放射性廢物	石灰岩	680米	2011年申請執照
芬蘭	VLJ	奧爾基洛托核電站	低及中低放射性廢物	英雲閃長岩	60–100米	1992年開始運營
芬蘭		洛維薩（Loviisa）	低及中低放射性廢物	花崗岩	120米	1998年開始運營
芬蘭	昂加洛乏燃料儲存所	奧爾基洛托核電站	乏燃料	花崗岩	400米	在建
法國			高放射性廢物	泥岩	~500米	選址中
德國	阿西二號鹽礦	下薩克森		鹽穹	750米	1995年關閉
德國		薩克森－安哈特	40,000立方米低及中低放射性廢物	鹽穹	630米	1998年關閉
德國	格爾雷本	下薩克森	高放射性廢物	鹽穹		擬議中，計畫暫停
德國	康拉德鹽礦	下薩克森	303,000立方米低及中低放射性廢物	沉積岩	800米	在建
日本			高放射性廢物			擬議中
韓國	慶州市		低及中低放射性廢物		80米	在建
瑞典	SFR	福斯馬克	63,000立方米低及中低放射性廢物	花崗岩	50米	1988年開始運營
瑞典		福斯馬克	乏燃料	花崗岩	450米	2011年申請執照
美國	廢物分離中試廠	新墨西哥州	超鈾元素核廢料	鹽床	655米	1999年開始運營
美國	瑜伽山核廢料儲存所	內華達州	70,000噸高放射性廢物	凝灰岩/熔結凝灰岩	200-300米	2010年計畫取消