高放废物深地质处置
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环境岩土工程
第十讲 高放废物深地质处置
一、概述
在核能利用过程中，会产生许多对人类不再有用的放 射性废物。而这些日益增多的放射性废物，使人类的 生存环境受到越来越严重的威胁。因此，如何处理和 处置这些放射性废物，是个亟待解决的问题。
高放射性核废料
核电站使用之后的乏燃料经过后处 理形成的，含有放射性强、发热量 大、毒性大、半衰期长的核素 中低放射性核废物 开矿、矿石加工、制备核燃料等过 程产生的放射性废物 反应堆内非核燃料物质经辐射后产 生的活化产物以及放射性同位素应 用单位放射性污染产物
(4) 处置库建设和运行阶段(2030-2040 年)
b. 开展1∶1工程尺度验证试验,在真实的深部地质环 境中考验工程屏障的长期性能;
c. 开发处置库施工、建造、回填和封闭技术,完善概 念设计,优化工程设计方案,全面掌握处置技术,并估 算建库的各种费用; d. 开发特定的场址评价技术及相应的仪器设备,并验 证其可靠性;
五、地下实验室建设
e. 开展现场核素迁移试验,了解地质介质中核素迁移 规律;
四、高放废物深地质处置选址要求
(4)地质环境和水文地质环境的物理－化学特征 和地球化学特征应有助于限制放射性核素由处置 设施向周围环境的释放； (5)场址及其附近的现有的和未来的人类活动会 影响处置系统隔离能力和导致不可接受的严重后 果，这种活动的可能性应该减少到最低程度。
五、地下实验室建设
地下研究实验室是开发最终处置库必不可少的关 键设施,在开发过程中起到下列作用: a. 了解深部地质环境和地应力状况,获取深部岩石 和水样品,为其他研究提供数据和试验样品;
四、高放废物深地质处置选址要求
选址→地下实验室→处置库建设和运行 (1)处置库的地质条件应有利于处置库的整体特 征，其综合的几何、物理和化学特征应能在所需 的时间范围内阻止放射性核素从处置库向环境中 迁移； (2)在未来的动力地质作用的影响下，围岩和整 个系统的隔离能力应保持在可接受程度； (3)处置库的水文地质条件应有助于限制地下水 在处置库中的流动，并能在所要求的时间内保证 废物的安全隔离；
f. 通过现场试验,验证修改安全评价模型;
g. 为处置库安全评价、环境影响评价提供必不可少 的各种现场数据; h. 进行示范处置,为未来实施真正的处置作业提供 经验;
i. 培训技术和管理人员;
j. 提高公众对高放废物处置安全性能的信心,解决高 放废物处置的一些社会学难题。
六、工程屏障
处置库的地下设施、废物容器和回填材料称为工 程屏障。 功能和要求 (1)使大部分裂变产物在衰变到较低水平的相当长 的时期（1000年左右）能够得到有效包容； (2)防止地下水接近废物，减少核素的衰变热对周 围岩石的影响，防止和减缓玻璃固化体、岩石和 地下水的相互作用； (3)尽可能延缓和推迟有害核素随地下水向周围岩 体迁移。
美国尤卡山高放废物地质处置库
1978年开始针对第一个高放废物地质处置库 的研发工作,2017年开始接受废物。整个工 程耗资将高达570余亿美元，容量包括63000 t(重金属) 的商业乏燃料、2500 t (重金属) 能源部和海军的乏燃料、4500 t (重金属) 商业和能源部的高放废物。
•拉斯维加斯西北方向100英里 •火山岩 –1千万年前火山爆发形成的紧 致稳固的沉降灰层 –凝灰岩下面是沉积碳酸岩 •贮存库层位于“未饱和区”， 大约地表以下300米，地下水位 以上300-500米 •尤卡山下的饱和区有两个主要 含水层，一个在凝灰岩里，一个 在碳酸岩里。
放射性废物安全处置原则
3、废物处置系统应能提供足够长的安全隔离期。中、 低放废物的隔离期不应少于 300年；高放废物和超铀 废物的隔离期不应少于 10 000年。
高水平废物处置方案 • • • • • • • 地表或近地表工程贮存 地质处置场 深井处置 海床底层处理 冰盖处置 宇宙处置 废物分离 –将经济上有用的核素回收再生 –对长寿命核素进行分离与嬗变
三、高放废物深地质处置特点
①组成上,处置库是一个由废物体－缓冲回填材料－ 岩体组成的、面积为数平方公里的复杂而庞大的工 程； ②在投资和开发周期上,处置库是一项耗资数十至数 百亿,投资期限数十至百余年,开发建设耗时数十年 的工程； ③时间跨度上,要求处置库能安全隔离放射性核素的 安全期限至少在1万a ； ④作用因素上,处置库不仅要经历开挖和运营期间的 力学扰动,更重要的是还将长时间受放射性辐射和衰 变热的作用以及地球内营力的作用；
美国尤卡山高放废物地质处置库
美国高水平废物的当前总量（2004） 商业乏燃料 体积 放射性 ~20,000m3 ~35x109居里 能源部国防部高水平废物 ~340,000m3 ~0.7x109居里 能源部/国防部高 水平放射性废物 主要存放于在汉 福（Hanford） 和萨凡纳河 （Savannah River）的罐桶里
三、高放废物深地质处置特点
⑧工程的可逆性上,基于对处置库的不确定性、未来 技术进步后废物的可利用性和更先进处置方案可能 性考虑,处置库一般要求设计成可逆转和可回取； ⑨工程数量上,一般一个国家首先考虑建造1个全国 性的处置库工程数量少,工程积累的经验和借鉴的可 能性相对也少,工程具有探索性； ⑩场址与围岩选择和工程布局上,与采矿工程受矿体 分布控制和隧道工程受线路控制不同,作为全国唯一 的高放废物地质处置库,在场址与围岩选择上有较大 的候选空间,工程布局上可充分考虑地质条件。
瑞典KBS－3V 处置库结构示意图
系统由竖井、螺旋井、深约500m的运输巷道、处置巷道、竖直处置钻孔组成。 处置巷道相互平行,长约250m ,间距为25m；处置钻孔间距6m,深约8m,废物体由 铁和铜两层包装组成,每个钻孔中放置一个废物罐,废物罐直径为1.05m,高为 4.8m,每个废物罐包含约2t乏燃料,总重为25～27t。废物罐外围填有膨润土作为 缓冲材料,处置完成后,巷道将进行回填。铜具有良好的抗腐蚀性,而铸铁则能提 供必要的力学强度,外填膨润土旨在出现岩石破坏时从力学上保护废物罐体、防 止地下水和腐蚀性物质进入罐体、有效地吸附释放出的核素。
放射性废物安全处置原则
1、废物处置设施的设计应贯彻多重屏障原则（由两 道或两道以上独立屏障组成的系统，将废物与人类环 境相隔离。它包括废物体、容器、其他工程屏障、安 放介质及其环境。） 2、分类处置原则。 高放废物和超铀废物，应在地 下深处合适的地质体中建库处置。全国的高放废物 应集中处置。 中、低放废物可采用浅埋的方式或在岩洞中进 行处置。中、低放废物应采取区域处置方针，即根 据废物的来源和数量，在考虑经济和社会因素的条 件下设置若干处置场，使中、低放废物得到相对集 中的处置。
美国尤卡山高放废物地质处置库
地下处置库主要由斜井和水平巷道组成,废物由暂存 地运至地面处理设施,经处理后通过斜井运送至地下 处置库；废物放置于水平巷道中并用平板架托起。
美国尤卡山高放废物地质处置库
工程屏障包括:废物包装、废物体、防水罩、巷道 仰拱。防水罩将于关闭前安装于废物上方,目的是 将巷壁的水导开,防止落入废物体上。巷道仰拱包 括支撑托架和废物、巷道轨道系统,它由两部分组 成:钢质仰拱结构和粒状材料组成的道碴。
三、高放废物深地质处置特点
⑤设计要求和评价目标上,不仅要评价处置库的区域 稳定性和围岩的力学稳定性,更重要的是还要保证废 物体内的有害核素在其有害的年限内不迁移到生物 圈而危害人类生态环境,因此,化学场和核素迁移规 律的研究具有特别重要的意义； ⑥研究的空间范围上, 其评价的空间范围不仅限于 受机械扰动的围岩,还要包括从处置库到核素释放到 生物圈的整个地质体； ⑦社会影响上,由于核问题的敏感性和公众的反核情 绪,高放废物地质处置库不仅是一项纯技术性的地下 工程,而且还是一项政治和社会关注的工程；
法国处置库概念设计图
比利时处置库概念设计图
Fra Baidu bibliotek
七、我国处置库研究进展
我国已初步确定甘肃北山为重点预选区(旧 井、向阳山和野马泉三个重点预选段) (1) 选址和场址评价阶段(2000-2010 年) (2) 地下实验室阶段(2010-2020 年) (3) 现场实验和示范处置阶段(2020-2030 年)
核废物 含有放射性 核素的废物
100万千瓦的核电站： 中低放废物70-100立方米／年，高放废物25吨／年 目前，11个机组，一年产生中低放废物1000立方米， 高放废物为250吨左右。
核工业十一五发展规划》，到2020年，我国核电装 机容量将达到4000万千瓦，全国一年产生的中低放 废物将达到4000立方米，高放废物将达1000吨。
二、高放废物深地质处置基本概念
把高放废物埋在距离地表500－1000m的地质体 中，使之永久与人类的生存环境隔离，埋藏高 放废物的地下工程即称为高放废物处置库。 高放废物深地质处置库一般采用“多重屏障 系统”设计，即把废物（乏燃料或玻璃固化 块）储藏在废物罐中、外面包裹缓冲材料， 再向外为围岩（花岗岩、凝灰岩、盐岩等）。 通常把地下设施、废物容器和回填材料称为 工程屏障，把周围的地质体称为天然屏障。
第十讲 高放废物深地质处置
一、概述
在核能利用过程中，会产生许多对人类不再有用的放 射性废物。而这些日益增多的放射性废物，使人类的 生存环境受到越来越严重的威胁。因此，如何处理和 处置这些放射性废物，是个亟待解决的问题。
高放射性核废料
核电站使用之后的乏燃料经过后处 理形成的，含有放射性强、发热量 大、毒性大、半衰期长的核素 中低放射性核废物 开矿、矿石加工、制备核燃料等过 程产生的放射性废物 反应堆内非核燃料物质经辐射后产 生的活化产物以及放射性同位素应 用单位放射性污染产物
(4) 处置库建设和运行阶段(2030-2040 年)
b. 开展1∶1工程尺度验证试验,在真实的深部地质环 境中考验工程屏障的长期性能;
c. 开发处置库施工、建造、回填和封闭技术,完善概 念设计,优化工程设计方案,全面掌握处置技术,并估 算建库的各种费用; d. 开发特定的场址评价技术及相应的仪器设备,并验 证其可靠性;
五、地下实验室建设
e. 开展现场核素迁移试验,了解地质介质中核素迁移 规律;
四、高放废物深地质处置选址要求
(4)地质环境和水文地质环境的物理－化学特征 和地球化学特征应有助于限制放射性核素由处置 设施向周围环境的释放； (5)场址及其附近的现有的和未来的人类活动会 影响处置系统隔离能力和导致不可接受的严重后 果，这种活动的可能性应该减少到最低程度。
五、地下实验室建设
地下研究实验室是开发最终处置库必不可少的关 键设施,在开发过程中起到下列作用: a. 了解深部地质环境和地应力状况,获取深部岩石 和水样品,为其他研究提供数据和试验样品;
四、高放废物深地质处置选址要求
选址→地下实验室→处置库建设和运行 (1)处置库的地质条件应有利于处置库的整体特 征，其综合的几何、物理和化学特征应能在所需 的时间范围内阻止放射性核素从处置库向环境中 迁移； (2)在未来的动力地质作用的影响下，围岩和整 个系统的隔离能力应保持在可接受程度； (3)处置库的水文地质条件应有助于限制地下水 在处置库中的流动，并能在所要求的时间内保证 废物的安全隔离；
f. 通过现场试验,验证修改安全评价模型;
g. 为处置库安全评价、环境影响评价提供必不可少 的各种现场数据; h. 进行示范处置,为未来实施真正的处置作业提供 经验;
i. 培训技术和管理人员;
j. 提高公众对高放废物处置安全性能的信心,解决高 放废物处置的一些社会学难题。
六、工程屏障
处置库的地下设施、废物容器和回填材料称为工 程屏障。 功能和要求 (1)使大部分裂变产物在衰变到较低水平的相当长 的时期（1000年左右）能够得到有效包容； (2)防止地下水接近废物，减少核素的衰变热对周 围岩石的影响，防止和减缓玻璃固化体、岩石和 地下水的相互作用； (3)尽可能延缓和推迟有害核素随地下水向周围岩 体迁移。
美国尤卡山高放废物地质处置库
1978年开始针对第一个高放废物地质处置库 的研发工作,2017年开始接受废物。整个工 程耗资将高达570余亿美元，容量包括63000 t(重金属) 的商业乏燃料、2500 t (重金属) 能源部和海军的乏燃料、4500 t (重金属) 商业和能源部的高放废物。
•拉斯维加斯西北方向100英里 •火山岩 –1千万年前火山爆发形成的紧 致稳固的沉降灰层 –凝灰岩下面是沉积碳酸岩 •贮存库层位于“未饱和区”， 大约地表以下300米，地下水位 以上300-500米 •尤卡山下的饱和区有两个主要 含水层，一个在凝灰岩里，一个 在碳酸岩里。
放射性废物安全处置原则
3、废物处置系统应能提供足够长的安全隔离期。中、 低放废物的隔离期不应少于 300年；高放废物和超铀 废物的隔离期不应少于 10 000年。
高水平废物处置方案 • • • • • • • 地表或近地表工程贮存 地质处置场 深井处置 海床底层处理 冰盖处置 宇宙处置 废物分离 –将经济上有用的核素回收再生 –对长寿命核素进行分离与嬗变
三、高放废物深地质处置特点
①组成上,处置库是一个由废物体－缓冲回填材料－ 岩体组成的、面积为数平方公里的复杂而庞大的工 程； ②在投资和开发周期上,处置库是一项耗资数十至数 百亿,投资期限数十至百余年,开发建设耗时数十年 的工程； ③时间跨度上,要求处置库能安全隔离放射性核素的 安全期限至少在1万a ； ④作用因素上,处置库不仅要经历开挖和运营期间的 力学扰动,更重要的是还将长时间受放射性辐射和衰 变热的作用以及地球内营力的作用；
美国尤卡山高放废物地质处置库
美国高水平废物的当前总量（2004） 商业乏燃料 体积 放射性 ~20,000m3 ~35x109居里 能源部国防部高水平废物 ~340,000m3 ~0.7x109居里 能源部/国防部高 水平放射性废物 主要存放于在汉 福（Hanford） 和萨凡纳河 （Savannah River）的罐桶里
三、高放废物深地质处置特点
⑧工程的可逆性上,基于对处置库的不确定性、未来 技术进步后废物的可利用性和更先进处置方案可能 性考虑,处置库一般要求设计成可逆转和可回取； ⑨工程数量上,一般一个国家首先考虑建造1个全国 性的处置库工程数量少,工程积累的经验和借鉴的可 能性相对也少,工程具有探索性； ⑩场址与围岩选择和工程布局上,与采矿工程受矿体 分布控制和隧道工程受线路控制不同,作为全国唯一 的高放废物地质处置库,在场址与围岩选择上有较大 的候选空间,工程布局上可充分考虑地质条件。
瑞典KBS－3V 处置库结构示意图
系统由竖井、螺旋井、深约500m的运输巷道、处置巷道、竖直处置钻孔组成。 处置巷道相互平行,长约250m ,间距为25m；处置钻孔间距6m,深约8m,废物体由 铁和铜两层包装组成,每个钻孔中放置一个废物罐,废物罐直径为1.05m,高为 4.8m,每个废物罐包含约2t乏燃料,总重为25～27t。废物罐外围填有膨润土作为 缓冲材料,处置完成后,巷道将进行回填。铜具有良好的抗腐蚀性,而铸铁则能提 供必要的力学强度,外填膨润土旨在出现岩石破坏时从力学上保护废物罐体、防 止地下水和腐蚀性物质进入罐体、有效地吸附释放出的核素。
放射性废物安全处置原则
1、废物处置设施的设计应贯彻多重屏障原则（由两 道或两道以上独立屏障组成的系统，将废物与人类环 境相隔离。它包括废物体、容器、其他工程屏障、安 放介质及其环境。） 2、分类处置原则。 高放废物和超铀废物，应在地 下深处合适的地质体中建库处置。全国的高放废物 应集中处置。 中、低放废物可采用浅埋的方式或在岩洞中进 行处置。中、低放废物应采取区域处置方针，即根 据废物的来源和数量，在考虑经济和社会因素的条 件下设置若干处置场，使中、低放废物得到相对集 中的处置。
美国尤卡山高放废物地质处置库
地下处置库主要由斜井和水平巷道组成,废物由暂存 地运至地面处理设施,经处理后通过斜井运送至地下 处置库；废物放置于水平巷道中并用平板架托起。
美国尤卡山高放废物地质处置库
工程屏障包括:废物包装、废物体、防水罩、巷道 仰拱。防水罩将于关闭前安装于废物上方,目的是 将巷壁的水导开,防止落入废物体上。巷道仰拱包 括支撑托架和废物、巷道轨道系统,它由两部分组 成:钢质仰拱结构和粒状材料组成的道碴。
三、高放废物深地质处置特点
⑤设计要求和评价目标上,不仅要评价处置库的区域 稳定性和围岩的力学稳定性,更重要的是还要保证废 物体内的有害核素在其有害的年限内不迁移到生物 圈而危害人类生态环境,因此,化学场和核素迁移规 律的研究具有特别重要的意义； ⑥研究的空间范围上, 其评价的空间范围不仅限于 受机械扰动的围岩,还要包括从处置库到核素释放到 生物圈的整个地质体； ⑦社会影响上,由于核问题的敏感性和公众的反核情 绪,高放废物地质处置库不仅是一项纯技术性的地下 工程,而且还是一项政治和社会关注的工程；
法国处置库概念设计图
比利时处置库概念设计图
Fra Baidu bibliotek
七、我国处置库研究进展
我国已初步确定甘肃北山为重点预选区(旧 井、向阳山和野马泉三个重点预选段) (1) 选址和场址评价阶段(2000-2010 年) (2) 地下实验室阶段(2010-2020 年) (3) 现场实验和示范处置阶段(2020-2030 年)
核废物 含有放射性 核素的废物
100万千瓦的核电站： 中低放废物70-100立方米／年，高放废物25吨／年 目前，11个机组，一年产生中低放废物1000立方米， 高放废物为250吨左右。
核工业十一五发展规划》，到2020年，我国核电装 机容量将达到4000万千瓦，全国一年产生的中低放 废物将达到4000立方米，高放废物将达1000吨。
二、高放废物深地质处置基本概念
把高放废物埋在距离地表500－1000m的地质体 中，使之永久与人类的生存环境隔离，埋藏高 放废物的地下工程即称为高放废物处置库。 高放废物深地质处置库一般采用“多重屏障 系统”设计，即把废物（乏燃料或玻璃固化 块）储藏在废物罐中、外面包裹缓冲材料， 再向外为围岩（花岗岩、凝灰岩、盐岩等）。 通常把地下设施、废物容器和回填材料称为 工程屏障，把周围的地质体称为天然屏障。