高放废物，高放废物地质处置

　　顾名思义，高放废物是一种有较强放射性的特殊废物，但同时还有毒性高、会发热并含有较长半衰期核素的特点，半衰期长就意味着高放废物的放射性需要相当长的时间才能消除。高放废物大多产生于军事装备的制造以及核电站乏燃料（即经受过辐射照射、使用过的核燃料）的后处理，如果高放废物不能得到合理且安全的处理，其对人类生存环境将产生巨大的影响。

　　关于高放废物的处置问题，科学家们曾经提出过包括“太空处置”“岩石熔融处置”“深海处置”在内的多种方案，但都因为处置安全性、成本等问题，不得不搁浅或停留在研究阶段。比如，深海处置是将高放废物倾倒入固定海域，利用海洋的稀释、自我修复和调节能力来隔离核废料的放射性，但这种方法对海洋环境的影响无法全面评估，存在一定风险性，现已停止使用。

　　科学家们经过长时间的研究和实践后，认为地质处置是目前普遍可以接受且技术上可行的高放废物安全处置方案。

　　地质处置，即将高放废物玻璃固化体（由于玻璃的化学性质稳定，高温下呈液态，可以溶解许多高放废物中放射性物质的氧化物，冷却后可以形成稳定的固化体，这种固化体被称为高放废物玻璃固化体）深埋于距离地表深度约500至1000米的地质结构中，使之完全与生物圈隔离，隔离的时间跨度需要达到上万年，以降低放射性，从而减少其对环境的污染。

　　相比于以上几种处置方法，地质处置技术已经在几十年间发展的相对成熟，如果有较为合适的处置库场址，并设立上述工程屏障和天然屏障，即可对放射性核素起到良好的阻滞作用，从而实现高放废物与生物圈的永久隔离。

　　高放废物地质处置

　　由于高放废物地质处置极其复杂，目前大都处于场址预选或场地性能评价阶段，一些国家建立了地下实验室，如瑞典的Stripa及Äspö，加拿大的LacduBonnet等，开展综合的地质、地球物理和水文地质调查研究。在高放废物地质处置方面工作进展较快的国家有美国、法国、日本、芬兰等，下面就简要介绍这些国家有关高放废物地质处置的研究进展情况。

　　美国是世界上最早使用核能作为动力的国家，高放废物的处置一直是其研究的重要课题。高放废物地质处置的建议是由美国科学院1957年提出来的（Laurence，1997），1982年由美国国会通过了《放射性废物政策法》（NuclearWastePolicyAct，NWPA），以解决高放废物的处置问题，并自1987年开始对Yucca山进行场地特性调查，1998年完成了该调查并提交了适宜性评估报告，2002年确定了Yucca山作为民用高放废物的最终处置场地，计划于2010年开始接受放射性废物（DyerJR，1999）。

　　法国高放废物地质处置工作由法国国家放射性废物管理机构（ANDRA）负责（P.A.威瑟斯庞著，王驹等译，1999），处置库选址工作始于20世纪80年代到目前为止己经筛选出3个预选场地，其中两个围岩为黏土岩，一个围岩为花岗岩。进行地面工作和室内实验的同时，法国还特别强调地下实验室的研究。已建立和完成的地下实验室有Auriat、Fanay-Augeres，在地下实验室主要开展岩体原位物理与力学试验、竖井与平硐开挖试验、渗透性和孔隙率测量、水样采集及同位素与化学分析，主要运移与化学阻滞机制的研究等，目的在于评价地质屏障的有效性并获得与回取可行性评价有关的参数（罗嗣海，2004）。法国拟在2015年最终确定处置库场地，并于2025年开始进行高放废物的贮存。

　　日本原子能委员会（AtomicEnergyCommissionofJapan，AEC）提出了基于“多重屏障”的地质处置概念，制定了关于高放废物管理的长期计划，为日本高放废物地质处置提供了基础。另外，成立了专门的高放废物处理机构（NuclearWasteManagementOrganizationofJapan，NUMO），负责有关高放废物处置的场址选择、建造、运转与封闭等工作。NUMO计划在2008～2023年对候选场地进行详细调查，并对场地进行各种探测工作，2023～2027开始建造处置库，2033～2037年开始营运。

　　此外，瑞典、芬兰、加拿大、俄罗斯、荷兰、西班牙、比利时等国家也都根据自己的国情，开展了高放废物地质处置研究工作。如在瑞典的高放废物的管理主要由1972年成立的瑞典核燃料与废物管理公司（SKB）负责的，目前瑞典所采用的高放废物处置方案是SKB在1983年的KBS-3报告中提出的；芬兰的高放废物处置由1996年成立的Posiva公司负责，该公司于1999年5月申请在Olkiluoto附近地下建立永久性的废物处置库，拟在2010年动工兴建、2020年正式使用。

　　从整个世界高放废物地质处置研究的趋势看，参与的国家越来越多，投入越来越大，研究进程越来越快。到目前为止，“地质处置”已从原来的概念设想、室内实验及相关理论研究、发展到今天地下实验室的建立，部分国家根据目前所得的研究成果已确定场址，拟进行高放废物处置库建造的程度。

　　高放废物是哪里产物

　　放射性废物能不能安全、妥善地处置呢?辐射危害有多大?能否防护?防护措施有保障吗?这是很多人所关心的问题。

　　核能开发利用和其他工业活动一样，均不可避免地产生废物。以法国为例，法国是个工业化国家，也是核电和核工业最发达的国家之一，核电占总发电量70%以上，有完整的核工业体系。法国产生废物量折合****均为：工业废物3000千克/年，有毒废物100千克/年，放射性废物1千克/年(包括高放废物10克)。也就是说，核工业和核电高度发达的法国，有毒废物约占工业废物的3.3%，放射性废物只占工业废物的万分之三点三。而高放废物又只是放射性废物的1%，可见放射性废物量是很小的。其他国家的核电地位远达不到法国的程度，它们的放射性废物占工业废物的比例会更小。

　　核能开发等活动产生的放射性废物，从体积上看，95%以上都属于低、中放废物，其所含的放射性核素最终被固结在固化体中，封装在包装容器内之后，选择好地方，把它们埋藏在专门的混凝土构筑物内，即低、中放废物处置场。处置场的底部做过很多的处理，有承重、防渗、集水、吸附放射性核素等功能。

　　上面覆盖几米厚的覆盖层，包括混凝土盖板、卵石层、沙土层、黏土层等，夯实之后还要种上植被。这样精心设计和建造的构筑物，能够防止深根植物、啮齿动物、穴居动物的闯入和人的挖掘活动。几十年之后，即使废物包装容器老化或破损，多数放射性核素只是被吸附在周围的土壤中。

　　核工业界对低、中放废物处置场从选址、设计、建造到关闭，以及关闭之后的监护和监督都作了精心的安排。现在，世界上已建造了一百多个低、中放废物处置场。我国已在甘肃、广东和四川建造了3个低、中放废物处置场。实践证明，这种按照国际通用标准建设的处置场，对低、中放废物实行安全隔离是有保障的，可以保障人类和环境安全的。

　　有人把高放废物看作老虎，提起高放废物，就“谈虎色变”。老虎会吃人，但把老虎关在铁笼中是安全的，在动物园没有谁会担心老虎吃人的问题。如果把高放废物装在“铁笼”中，再把铁笼禁锢在“地牢”中，高放废物不也就安全了吗?

　　媒体上经常提及的核废料实际上被核工业界称为乏燃料(spentfuel)，即从核电等反应堆内卸出且不再使用的核燃料，通俗来讲就是使用过的核燃料(usedfuel)。对于那些将乏燃料不再进行处理，而是直接处置的国家而言，乏燃料则被视为高放废物，如瑞典、芬兰、加拿大等。对于那些将乏燃料还要进行处理的国家而言，乏燃料就不是高放废物，而被视为一种资源，如法国、英国、俄罗斯、日本、印度等。当然，我国也是采用乏燃料后处理的国家之一。后处理就是对乏燃料进行剪切与溶解、去污、分离、纯化回收等步骤，通过这些步骤处理乏燃料不仅可以大幅提高铀资源利用率，更重要的是还可以大幅减少废物体积。

　　每座核电站都建有乏燃料贮存水池，自身反应堆卸出的乏燃料会暂时贮存在这个水池中。经过5～8年的贮存衰变后，乏燃料的放射性和衰变热均有大幅降低，然后再用专用乏燃料运输容器将其转运到后处理厂的乏燃料贮存水池内存放，等待后处理。

　　裂变反应产生的放射性核素虽有百余种，但是，大多数核素的寿命比较短，由于不断衰变，大多数核素逐渐变成了无害物质。废物处理中必须重视那些长寿命核素(如镎-237、钚-239、锝-99、碘-129等)。乏燃料经过处理后，将其中的铀、钚材料与裂变产物等实现分离，分离净化后的铀、钚材料可以再利用，含有裂变产物、次锕系和超铀元素的废液经浓缩处理后形成高放废液，高放废液与玻璃体熔融在一起，注入专用的不锈钢容器内形成玻璃固化体，即所谓的高放废物，贮存一段时间后，等待最终的深地质(通常认为大于300米的地下场所)处置。把这些乏燃料和高放废物存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存库(repository)是一种可行的方案，这便是高放废物的最终处置方式，即深地质处置。在深地质处置中，盛放在容器中的乏燃料或高放废物被以某种方式密封，存放在隧道里，如图3所示。

　　如上所述，乏燃料后处理产生的高放废液经玻璃固化处理后，能使放射性核素转移到固化基质的分子网络结构中或分子结构的骨架上，难以被溶解出来，这就像“老虎关进了笼子”一样。玻璃固化的高放废物封装在特制的容器中，这种容器是用非常耐腐蚀的高级合金钢或铜等材料制造的。处置的时候，固化容器的周围还要填充吸附性能好的膨润土材料，这样构成了多道“人工屏障”。除此之外，还有优良的“天然屏障”。高放废物库建在几百米深地下的稳定地质层内(如花岗岩、粘土岩、盐岩等)，其选址在既没有裂隙、断层、地震和火山活动，也没有矿藏和地下水流过的地质体。地质构造具有良好的阻滞放射性核素迁移和扩散的能力，可以起到有效隔离放射性核素的屏障作用。这样构筑的“地牢”可谓是“固若金汤、坚不可摧”。几千年甚至万年以后，即使有个别核素“破笼而出”，一路上被吸附、滞留、稀释、扩散和离子交换，侥幸逃跑出来的放射性核素，行进的速度也是非常缓慢，当它们到达人类生活环境的时候，也已衰减到无害化水平了。

　　除了高放废物的深地质处置路径之外，分离-嬗变也是一种正在开发研究的技术。简单说就是用中子去打那些放射性原子核，人工诱导把长寿命核素转变成短寿命核素或稳定同位素。分离-嬗变技术的优点是：一是使长寿命废物嬗变成短寿命废物，大大降低放射性毒性，大大减轻深地质处置的负担;二是实现清洁能源，促进核能可持续发展;三是提高铀资源利用率。相信不久的将来，这项技术可达到工程示范的规模，实现商业应用。

　　有人担心乏燃料和高放废物的衰变热问题，的确，当反应堆停堆时，链式反应也随之停止，但由于裂变产物的衰变，乏燃料仍然会释放出大量的热量，衰变放出的热功率大约是核反应堆稳定工作时功率的7%。但当反应堆停堆1小时以后，衰变热功率约为稳定工作时功率的1.5%;一天以后变为0.4%;一周后变为0.2%。衰变热随时间会继续减小。

　　美国很多核电站卸出的乏燃料也是先存放在反应堆旁的水池内，经过一段时间的冷却后，乏燃料被转移到干式贮存库存放，这样的贮存方式仅依靠自然冷却即可保证乏燃料的温度不会升高，实现自然的热平衡。当然，乏燃料或高放废物在未来的深地质处置库内存放，其衰变热的导出以及实现自然的热平衡也是设计考虑的因素之一，经过试验模拟和程序计算，乏燃料和高放废物的衰变热对其本身、包装材料、回填材料和岩体的影响极有限，完全可控。