中辐院废物处置技术研究室废物处置安全评价

中国辐射防护研究院废物处置技术研究室废物处置安全评价及粘土岩场址选址与评价能力。...

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1、安全评价概念

高放废物地质处置安全评价技术研究的目的是确定处置库的安全目标和评价指标，建立评价技术体系，为处置库选址、建造、运行以及关闭阶段的安全分析、环境影响评价提供技术支撑。安全评价技术研究的目标是建立适用于我国高放废物处置库场址和工程设计的安全评价框架体系，掌握相应的安全特性表征技术、处置库屏障系统安全性能评价和预测技术、处置工程的总体安全性评价和预测技术，对我国高放废物处置库的长期安全性能及其对人类和环境的潜在影响做出科学合理的预测。

已建立放射性废物处置安全评价的基本流程（见图1），地质处置安全评价的关键技术主要有处置库核素释放和迁移的景象分析技术、处置库屏障的安全特性演化预测技术、核素释放和迁移的建模技术、不确定性和灵敏度分析技术。

1、处置库的组成及处置环境特点

1.1、处置库的组成及处置环境特点

高放废物深地质处置的概念设计一般为如下所述（见图2）：先将乏燃料或其经后处理产生的高放废液进行玻璃固化并严格密封在特制的处置容器里，再将处置容器安置在地下数百米深的稳定基岩中，处置容器周围及上下用高压实膨润土块封闭。

在这种处置系统中，乏燃料/废物固化体本身是第一道屏障，处置容器是第二道屏障，缓冲/回填材料是第三道屏障，而处置介质（围岩）和周围的地质环境是第四道屏障。前三道屏障属于工程屏障，可以通过工程设计使其适合特定的条件；第四道屏障是天然屏障，主要通过选址工作加以确定。

工程屏障和天然屏障共同组成了包容放射性核素的多重屏障的隔离体系。一般又根据屏障的位置、功能、受废物体影响的程度、在其中发生演化过程等，又可以将处置系统划分为近场和远场，近场包括工程屏障材料及围岩扰动带，远场是指处置的围岩。

1.2、处置环境的特征
高放废物的深地质处置对地下系统的扰动主要由两个方面引起：首先，废物体中包含的放射性核素的衰变将放出大量的热量，这对地下介质场来说是一个附加的长期作用的热源，其存在必然会引起处置库周围地下温度场的变化，从而影响周围介质的性质，同时温度变化会引起地下水粘度与密度变化并影响水岩作用，进而引起水的对流与化学场的变化；其次，处置库的建造会扰动地质介质，这将在一定程度上改变原始应力分布，而这种应力的重新分布将引起周围介质的变形，从而影响到热量传递、流体流动及溶质的迁移。

由上可知，对于高放废物处置系统的近场来讲，影响因素有如下几个方面：热、辐射、水、力、化学以及微生物，与之相对应，处置库系统将受到温度场、辐射场、水势场、应力场、化学场以及微生物的耦合影响。显然，耦合过程研究包括远场处置介质和近场的包装、缓冲回填材料。前者与具体的处置介质（如花岗岩、凝灰岩、黏土岩等）的性质有关，若介质不同，研究方法也有所差异；而对工程屏障的研究，在大多数国家都是基本相似的。这些内容都是安全评价中最为关心的核心问题。

▲图1 安全评价总体流程

▲图2 处置库概念

中辐院在废物处置安全评价方面具备的评价能力

2.1、源项评价模型的建立评价

建立的理论数模是一个能够描述长时间尺度上玻璃溶解行为的数学模型，模型需考虑自由水、Si和其它关键化学组分在蚀变层中的扩散和水解反应、沉淀反应等化学反应的耦联，建立包含扩散、蚀变层结构变化、表面反应活性变化等影响的非线性偏微分方程组。

利用水解反应动力学模型，基于设计计算书中的玻璃固化体包容核素数据，自编程序计算了239Pu、237Np、241Am和238U等几个包容量较大的典型核素在玻璃固化体中的迁移情况。计算结果见上图：

2.2、缓冲材料中核素迁移模型的建立与评价

核素在膨润土中的迁移要受到诸多物理、化学因素的影响，其中最为关键的几个因素包括：含核素溶液在膨润土中的渗流、核素在膨润土孔隙中的反应和吸附以及膨润土中核素的扩散。首先对膨润土的物理、化学性质、渗流、核素在膨润土中的吸附及核素扩散等方面的实验研究结果做梳理分析，并归纳总结了膨润土中核素迁移的模型研究现状，在此基础上建立描述核素在膨润土中迁移的理论数模，求解分析长时间尺度上核素在膨润土中的分布以及核素迁移通量，并考察不同物理、化学因素对核素迁移的影响。并建立两尺度模型进行评价。

2.3 、EDZ中核素迁移模型的建立与评价

EDZ中核素迁移涉及到流经地下水的流量和核素在EDZ基质中的吸附、沉淀等化学作用过程，地下水流量一般由水文地质模型进行估算。水文条件、水力梯度以及水力梯度方向和贮存室方向的相对位置控制着处置库再饱和回填材料周围的地下水流速分布。了解扰动带附近的水文条件常用方法是建立地下水文模型，模拟水流和迁移。涉及水力耦合问题，常见的模型有两种：等效连续介质模型和离散裂隙网络模型。

等效连续介质模型假设介质连续，均匀，即将传输介质透水性平均等效到整个介质中去。用于连续性模型求解的方法包括有限元、有限差分和边界单元法。离散裂隙网络模型引入了空间单元的概念，不连续可以指的是不连续节点或普遍存在的节点，在这些节点中存在正应力和空隙压力。不连续特性和几何范围是离散裂隙网络模型的主要特征。引入介质和裂隙的物质特性作为描述开挖口周围应力重分布和后续裂隙物理/水力变化的必要输入。得出的受力分析结果是水流分析的输入。

2.4、远场围岩中核素迁移模型的建立与评价

针对花岗岩、粘土岩开展两类围岩中核算迁移计算与模拟。

2.5、处置库温场分布计算模拟

高放废物地质处置库的研究和开发是一个长期的系统化工程，一般需要经过基础性研究，处置库选址和场址评价，地下实验室研究，处置库的设计、建造、运行和关闭等阶段。处置库设计的核心问题是处置库建造和运行期的安全性，以及处置库关闭后的长期安全性。

开展处置库的近场温度场分布分析及计算是处置库安全评价的主要研究内容之一。基于国际上各国的温度场分析经验，结合国内高放地质处置概念设计、勘测和试验监测数据，有针对性地完成了高放废物处置库的温度场演化规律的预测、各参数对处置场温度分布的影响，以及小规模范围内处置场温度分布分析，积累处置场温度分析方面的经验。

3、粘土岩场址选择与评价

我国粘土岩沉积盆地示意图
相对花岗岩场址筛选与评价，我国粘土岩场址筛选的研发工作刚刚起步。粘土岩选址与评价的研究目的就是按照国家国防科工局高放废物地质处置研究开发的总体规划和审管决策的要求，在我国西北地区系统开展高放废物地质处置库粘土岩场址筛选与评价工作，完成粘土岩场址筛选规划选址阶段和部分区域调查阶段的研发任务，筛选出2-3处粘土岩预选地段；“十三五” 筛选出2-3处粘土岩预选场址，开展粘土岩地下实验室前期科研工作，加快高放废物地质处置库场址和围岩类型的比对研究，总体推进我国高放废物地质处置的研究开发工作。