核废物地质处置

地质体
地质体又称废物的贮存介质、处置介质等，这是 指放射性废物处置场(库)周围的土壤、岩石及有 关沉积物等。地质体是放射性废物处置体系中最 重要的一道屏障(天然屏障 )。用于处置低、中放 废物的地质介质主要为上策及其他近地表松散残 积、坡积物；用于处置高放废物的地质介质 ( 又 称处置主岩 ) 有岩盐、花岗岩、凝灰岩、粘土岩、 玄武岩等岩石。地质体对阻滞废物中放射性核素 向生物圈迁移和屏蔽废物的辐射线等起决定性作 用。
核废物的来源（非核燃料循环）
核废物主要来自核燃料循环，但非核燃料循环各 过程也产生一定数量核废物，例如，生产放射性 同位素，医疗、科研、教育、工业、农业等部门 应用放射性物质，核设施退役，制造和试验核武 器等。 放射性同位素生产和应用 在工业上生产和应用放射性同位素时，将产生一 定数量的低放废物，在西方国家中，称这类废物 为工业放射性废物，其中含有多量短寿命放射性 核素，例如90Mo，131I，133Xe,125I等，它们的比活 度一般小于 3.7×103Bq/g ；此外，还含有裂变产 物90Sr,137Cs,3H等。
适合于处置放射性废物的岩土种类


地质处置介质阻滞放射性核素迁移的功能主要表现为： 岩石中的长石、黑云母、绿泥石、高岭石、伊利石、 沸石等矿物，对有些放射性核素具有较强的吸附能力 和离子交换能力。 废物处置库主岩一般致密少裂隙，深处置库废物中的 放射性核素经岩石中迂回曲折的显微裂隙、矿物粒间 空隙迁移至生物圈，约需穿越数十公里甚至数百公里。 这期间、高放废物中的大部分放射性核素和低、中放 废物中的几乎全部放射性核素，已衰变至无害水平。
核废物的分类

按物理状态分类
按物理状态不同，可将放射性废物分为放射性固 体废物、放射性液体废物和放射性气载废物三类。

按放射性水平分类
放射性物质的放射性水平，可用比活度(固体废物) 和放射性浓度(气载废物、液体废物)表示。按放射 性水平不同，可将放射性废物分为高放废物 (HLW)、中放废物(ILW)和低放废物(LLW)三大类。 世界各国划分这三大类废物的放射性水平标准尚 不统一。
国际原子能机构的放射性废物分类
根据国际原子能机构(1971)的分类，首先按物理状 态将核废物分为液体、气体、固体三类，然后再 按比活度将每类分成若干级别。 此外，国际原子能机构 (1981)按放射性水平和所含 核素的半衰期不同，从便于处置的角度将核废物 分为高放 ( 长寿命 ) 、中放 ( 长寿命 ) 、低放 ( 长寿命 ) 、 中放( 短寿命 ) 和低放 ( 短寿命 ) 废物五级；划分长寿 命、短寿命核素的建议标准为：半衰期小于 30a的 核素被称为短寿命放射性核素，半衰期大于 30a的 核素被称为长寿命放射性核素。
地 质 勘探
铀 矿 开采
铀矿石 加工
铀精制
铀氟化
铀同位 素分离
金 属 生产
燃料元件 制造
原 子 武 器 制 造
反应堆 材料制造
原 子 核 反 应 堆
乏燃料 后处理
金属钚 生产 同位素应用
核电厂
核动力船
核工业主要工艺体系方框示意图
核废物的来源（核燃料循环）
前端 核燃料循环
后端
核废物 来源 1.放射性同位素生产和应用 非核燃料循环 2.医疗、科研、教育、工业 和 农业等部门应用放射性物质 3.核设施退役
核废物的分类

按放射性核素的半衰期分类
按半衰期不同，将放射性核素分为长寿命放射性 核素、中等寿命放射性核素和短寿命放射性核素 等类别。各国划分半衰期长、短的标准也不统一。

按来源分类
根据放射性废物的来源不同，可将放射性废物分 为铀尾矿、退役废物、乏燃料(不予处理的)、包壳 废物、军用废物和商业废物等。
放射性废物处置体系主要功用



物理屏障作用 ——限制和阻止地下水接近、进入废 物处置库；减弱和屏蔽放射性废物发出的 α ， β ， γ 射线对生态环境的影响； 化学屏障作用 ——通过化学作用阻滞放射性核素向 生物圈迁移； 机械屏障作用 ——废物容器和回填材料能安全、稳 妥地包容废物，吸收巨大的地应力(岩石静压力、地 质应力等)，为处置状态的废物体提供机械支撑。
核科学概论
东华理工大学 核工系
本堂课主要内容


核废物分类 核废物来源 核废物地质处置 中国核废物处置研究进展与展望
第一节 核废物分类
放射性废物的定义
放射性废物，又称核废物，是指任何含有放射性 核素或被其污染的物质，其中放射性核素的浓度 或活度水平超过主管部门确定的豁免值，而且这 些物质在可预见的将来无可利用（不包括未处理 的乏燃料）。 放射性废物以其具有较高放射性、放射毒性区别 于其他非放射性有害物质。度量核废物放射性活 度的单位为Bq。


水力压裂处置 ---- 将浓缩低、中放废液与水泥、粘 土混合后的灰桨，通过钻孔用高压设备将其注入300 一 500 m 地下预选被压裂的不透水岩层中，使废液迅 速固化成为岩层的一部分，以此达到永远隔离核废物 的目的。这是将放射性废液的固化处理与处置合为一 体的最终处置技术，水泥固化体和岩层构成安全处置 的二道屏障。 海洋投弃 - 又称海洋倾倒处置，这是将低、放废物 容器(一般为混凝土固化体，外加钢桶包装)投入远离 陆地的预定海域．使废物容器自行沉入海底，或直接 向海洋排放低放废液 , 藉海水隔离和稀释放射性物质 的一种非地质处置方法。

核反应堆运行
核反应堆运行时产生的放射性废液主要来自循环冷却 水，放射性固体废物主要来自冷却净化系统、废水净 化系统的离子交换废树脂、废过滤器芯子、废液蒸发 残渣、活化的堆内构件（包壳材料、控制棒等）、废 仪表探头和零件等，其中堆内构件等为高放废物（含 60Co,63Ni 等）。据国际原子能机构统计，轻水堆核电 厂的放射性固体废物产生量为550m3/GW· a。
乏燃料后处理
在核反应堆中不能继续使用的辐照过的核燃料称之 为乏燃料。除去乏燃料中的裂变产物，并回收易裂 变材料和可转换材料的过程，称为乏燃料后处理。 乏燃料中含有多量超铀元素、裂变产物和活化产物， 因而具有较多裂变热和较高放射性活度。 乏燃料中含有新生成的 239Pu （重要军用材料）和未 裂变的235U，为了分离出来这两种有用物质，需对乏 燃料进行后处理。
我国的放射性废物分类
1988 年我国颁布了核废物分类标准，根据该分类， 首先将核废物按物理状态分为气载废物、液体废物 和固体废物三类；在此基础上，再按放射性浓度或 比活度将各类核废物分为若干级；对于固体废物， 按比活度和所含主要核素的半衰期两项指标，划分 出低放短半衰期(T1/2≤6d)废物、低放中等半衰期(60 d ＜T1/2≤5a)废物、低放长半衰期(T1/2＞5a)废物、中放 短半衰期废物、中放中等半衰期废物、中放长半衰 期废物、高放短半衰期废物、高放中等半衰期废物、 高放长半衰期废物和超铀废物等3级13亚类。该分类 较国际原于能机构分类更详细、更具体，更适合于 我国使用。


医疗、科研、教育、工业和农业等部门应用放射性物质 医疗、科研、教育、工业和农业等部门在应用放射源、 加速器、示踪同位素、小型研究准、铀矿石标本等过程 中，将产生一定数量的低放固体、液体废物，这些废物 中含有51Cr，192Ir，35S，125I，32P，14C，90Sr，3H，57Co， 99Tc，60Co等放射性核素。

岩盐
岩盐是一种泻湖相、内陆盆地蒸发岩，主要成分为 石盐（NaCl），另含少量录化物、硫酸盐。

花岗岩
花岗岩类岩石分布广，具有良好的储废性能，因而受 到世界各国的青睐。 粘土岩 凝灰岩 玄武岩 土壤


放射性废物处置历史的回顾
自上世纪40年代英国、前苏联等国家开始处置低(中)放废物 以来，各国曾采用地下渗滤法、深井注入法、净化排放法、 水力压裂法等处置低、中放废液，曾采用陆地浅埋法、废 矿井法、海洋投弃法处置低、中放固体废物。高放废物至 今未开始处置。自从各国采用以上方法处置核 50余年来， 已积累了许多经验和教训，在陆地浅埋法、废矿井处置法 等技术更加成熟的同时，也淘汰或趋于停止使用曾给生态 环境造成放射性污染的一些处置方法，例如，低、中放废 液的地下渗滤法，低、中放固体废物的海洋投弃法等。目 前，除个别国家（德国）仍计划直接处置低、中放废液 （含氚废水）外，其他国家已基本停止直接处置低、中放 废液，而是将其固化后再作地质处置。
核废物的分类

高放废物
是指乏燃料后处理第一循环溶解萃取水溶液。或与此相当 的浓缩废液等，即高放废物的产生与乏燃料后处理有关。

中放废物
中放废物主要来自核反应堆、乏燃料后处理第二次和第三 次循环溶解萃取液、净化溶剂废液、洗涤废气的废液、去 污泥浆和低放废液的浓缩液等。

低放废物
低放废物包括绝大部分退役废物，核反应堆中的去污水、 循环冷却水，医疗和科研用被污染动物的尸体、器官、选 矿水，核设施地面排水、洗涤水，放射性废气和气溶胶， 污染的塑料、玻璃、劳保用品等。
以下是对已停止使用或很少使用的放射性废物地下渗 滤法、深井注入法、水力压裂法和海洋投弃法的扼要
介绍和回顾。


地下渗滤处置 ----将低、中放废液排入地表沟槽 内，藉土壤、砂砾层对废液中有害物质的吸附、掺 滤作用，净化废液的一种地质处置方法。地下渗滤 处置低、中放废液是在渗滤池内进行的。„„ 深井注入处置 ---- 将废液经由注入孔高压压入 1000 一 1500m 深处相对封闭的透水岩层中，藉此将 放射性废液永久地与生物圈隔离的一种地质处理、 处置技术。该技术原用于石油和天然气开采工 业。„„
第二节 核废物来源
核废物的来源
放射性废物产生于核工业各环节以及使用放射性物 质的各部门，即来自核燃料循环和非核燃料循环工 艺体系或部门。
按照工作部门划分，核废物主要来铀矿山、铀水冶厂、 核电厂、核武器制造厂、核舰只和使用放射性物质 的科研、教育、医疗、工业、农业等部门；若按放 射性总活度计，核工业中产生的核废物，其 99% 来 自核燃料后处理厂。

百度文库铀富集和核燃料元件制造
在核燃料循环前端的铀富集、转化阶段，235U含量 由 0.711% 增至 3% ～ 4% ，同时产生低废物，例如 氟化渣、木炭渣、石灰渣、废旧轴承、废零部件、 废管道、废机油、废旧钢铁、劳保用品和放射性 废水等。该类废物中含有235U，238U等核素及硝酸、 氟化物等有害化学物质。此外，在制造核燃料元 件时还产生少量低放废物。

核设施退役
核电厂、乏燃料后处理厂等核设施退役时，产生大量低 放废物和少量高放废物(退役废物)。核设施退役的原因主 要有：①超过使用寿命。②因突发性事故使核设施无法 继续正常运行。③己完成预定任务而关闭；④因设计出 现问题、设备发生故障、或政府的政策、计划改变等导 致核设施关闭。
第三节 核废物地质处置
废物
预处理
豁免 废物 再利用/循环
处
理
放射性物料
整
备
处 置
核废物地质处置
在放射性废物管理中，屏障是指能迟滞或阻止放 射性核素从处置单元迁移到周围环境的工程设施 或天然物质。 放射性废物安全处置的最主要威胁来自地下水。 阻滞和延缓放射性核素迁移的多重屏障，这些屏 障由近至远分别是：废物体、废物包装容器、回 填材料和地质体。
废物体
废物体是阻滞废物中放射性核素向外迁移的第一
道屏障。金属或混凝土废物容器是保护放射性废
物固化体不过早被侵蚀、破坏的强有力机械屏障，
包装容器中的混凝土、粘土、沸石、铅金属等材 料(衬填料)，是阻滞放射性核素迁移的化学屏障和 物理屏障。
回填材料
回填材料是指在处置放射性废物时，在废物容器之 间和在废物容器与地质体(土壤、岩石)之间等剩余空 间内放置的某些矿物、岩石碎料。常用的回填材料 有膨润土、粘土、沸石、蛭石、玄武岩、岩盐等碎 块或粉末(掺入一定数量的石英砂、石墨等)。 回填材料的优点：较强的抗风化能力（寿命超过 106a ）；较强的吸附能力；可作为机械支撑物以稳 定废物容器；是阻滞放射性核素迁移的化学屏障和 物理屏障。
铀矿开采和铀矿石
铀是最重要的核燃料。供工业采集的铀矿边界品位是可变 的。一个热功率为1GW的核电厂，每年约需要150t天然金 属铀，若铀矿平均开采品位按 0.2% 计，则每年将产生约 10000m3开采废石和30000~50000m3水冶尾矿。 铀矿石经破碎、水冶后残留的尾矿，其中残留了占原矿6% 左右的铀，还含一定含量 226Ra 、 222Rn ，使尾矿成为有害 低放废物和化学有害物质（含酸、碱）。铀废矿石、尾矿 的数目多、体积大，其放射性活度较普通岩石、土壤高数 倍至数十倍。此外，磷矿石中一般含有较多的铀元素，经 过处理后残渣中的铀含量更高，使之成为一种数目庞大的 低放废物。