高放废物处置地下实验室现场试验数据管理顶层设计

我国高放废物地质处置研发已经进入地下实验室建设的关键阶段。在地下实验室建设和运行期间,将开展大量现场试验,这些试验数据具有传输距离长、采集周期长、数据类型多和数据量大等特点,同时数据质量、安全与可追溯性要求高,数据管理难度较大。通过分析我国高放废物地质处置北山地下实验室现场试验数据特点,以iS3智慧数据服务系统为基础,提出现场试验数据管理顶层设计方法,为现场试验和科研工作顺利开展提供重要的数据管理支撑。

我国高放废物地质处置新突破

2019年5月6日,国家原子能机构批复了我国高放废物地质处置地下实验室建设工程立项建议书。2021年6月17日,地下实验室工程正式开工建设,标志着我国高放废物地质处置进入一个新的阶段——地下实验室阶段,实现了新的突破。本文介绍近五年(2019-2024)来我国高放废物地质处置在法律法规、技术标准、场址评价、缓冲材料、工程技术、岩石力学、放射性核素迁移和安全评价等方面取得的新进展,重点介绍北山地下实验室工程建设及研究开发的新进展。

高放废物处置库二维轴对称温度场模型构建及应用研究

高放废物处置库温度场长期演化特征是处置库缓冲层安全性能评估和设计、处置容器空间优化布局的重要依据之一。建立了处置单元二维轴对称双层热分析模型,以揭示处置库多重屏障系统近场温度演化规律。对传热控制方程应用拉普拉斯和有限傅里叶正弦变换,得到缓冲层和围岩层温度的拉普拉斯域解,借助Crump方法对拉普拉斯域解进行数值反演获得对应的时域解;通过与线热源解和数值解的对比验证了模型的正确性,分析了处置单元近场多屏障系统温度场的时空分布特征,探讨了不同参数对缓冲层峰值温度的影响;借助模型半解析解确定最小处置容器间距以及对原位试验结果进行预测。结果表明:①与线热源解相比,模型半解析解可以更准确地模拟缓冲层温度变化;②当处置隧道间距超过40m时,其对缓冲层峰值温度影响较小;③在处置隧道间距取40m时,最小处置容器间距为7.7m;④模型半解析解可以较好地预测原位试验结果。

甘肃北山算井子花岗岩地球化学特征、成因及对高放废物地质处置的启示

北山是中亚造山带的重要组成部分,广泛发育着花岗岩。前人对北山花岗岩开展了大量地球化学研究,但很少与高放废物地质处置相结合。本研究分析了哈尔特尔德勒、哈尔根头口布、算井子花岗岩的岩石类型,并以算井子花岗岩为例,分析其岩石成因,探讨其对高放废物地质处置的启示,得到如下结论:1)哈尔特尔德勒花岗岩是A型、南岭型花岗岩,哈尔根头口布花岗岩属于A型、浙闽型花岗岩,算井子花岗岩为未分异的Ⅰ型、埃达克型花岗岩;2)处置库围岩的Fe^(3+)/Fe^(2+)比值可能对高放废物地质处置具有重要意义;3)算井子花岗岩属于埃达克质成因,但成矿潜力微弱,甚至不能成矿,因此该地区作为高放废物地质处置库选址,符合经济性原则;4)算井子花岗岩含有较高体积分数的黑云母,对放射性核素的阻滞具有重要作用,有利于作为高放废物地质处置库围岩。

高放废物地质处置中核素迁移研究进展

核技术在工业、农业、医学等领域有广泛应用,但也产生了大量放射性废物,其中高放废物含有大量放射性强、毒性大、半衰期长和释热量大的核素,对自然环境和人类健康构成了巨大的威胁,其安全处置一直是放射性废物管理中的重点难点问题,受到国际社会的广泛关注。目前,深地质处置被认为是高放废物处理处置最有效可行的方法,而地质屏障中放射性核素迁移研究是高放废物地质处置安全评价的关键课题之一。本文首先对高放废物地质处置及核素迁移研究进行概述,然后论述了核素迁移数值模拟研究的关键技术(包括物理模型以及数学模型),最后分析了数值模拟在不同核素迁移研究中的应用进展。通过综合分析可知,目前核素迁移研究还存在以下主要问题:1)核素迁移的机理和规律尚不完全清楚,需要更多的基础研究和数据支撑;2)核素迁移的实验技术和设备还有待改进,需要更高的精度和灵敏度;3)核素迁移的数值模拟还存在不确定性和误差,需要进行更有效的验证和优化。未来的研究方向主要包括:1)加强核素迁移的理论研究,揭示核素在复杂条件下的迁移行为及其控制机制;2)发展核素迁移的实验技术,提高实验数据的质量和可信度;3)创新核素迁移的数值模拟方法,增强模型的适应性和预测能力;4)完善核素迁移的安全评价体系,建立更合理的评价指标和方法。

高放废物地下实验室岩壁吊车梁优化设计研究

北山高放废物地质处置地下实验室是中国首个研究高放废物地质处置的地下实验室。在该地下实验室-560 m的主试验水平内布置了起重量为5 t的电动单梁起重机岩壁吊车梁。本研究以相关设计规范为依据,阐述岩壁吊车梁的计算方法及设计步骤,并提出了对于起重机吨位较小的岩壁吊车梁的优化设计方案。优化方案可有效节省岩壁吊车梁的材料和宝贵的地下空间,本研究结果对小吨位起重机岩壁吊车梁设计有借鉴意义。

韩国将建设高放废物处置研究设施

【韩国商业网站2024年6月19日报道】2024年6月18日,韩国产业通商资源部宣布,将建设一座位于地下500米深处的高放废物处置研究设施,用于研究岩床特性和高放废物处置系统性能。产业通商资源部将与韩国放射性废物管理机构(KORAD)合作,公开征集这座设施的建设场址,目标是2026年开工建设,2032年建成投运并运营约20年。放射性废物管理机构即将组建独立的选址评估委员会,并在年底前完成选址。

高放废物地质处置地下实验室开挖及精细探测关键技术

针对高放废物处置地下实验室工程建造面临的主要技术难题和挑战,以甘肃北山预选区新场-旧井地段为研究目标场址,建成了北山坑探设施工程并以此为研发平台,通过试验研究、理论建模和数值模拟等多重综合集成的研究方法,开展了地下实验室围岩含水结构面超前探测技术、地下实验室开挖方法及开挖损伤区评价技术、围岩开挖响应监测技术和围岩力学时效特性评价技术等研究,成功实施了不良地质体超前探测、围岩变形监测、光面爆破和开挖损伤区评价等11种现场试验,突破了地下实验室围岩含水结构面精细探测技术、低损高效破岩及评价技术、围岩位移全过程监测技术和围岩长期稳定性分析技术,掌握了高放废物地质处置地下实验室工程设计、建造有关的关键安全技术。相关成果为地下实验室设计和建造提供了重要的理论基础和技术支撑,显著提升了我国在高放废物处置领域的研发能力。

中国高放废物地质处置北山地下实验室重大进展

北山地下实验室是我国建设的首座高放废物地质处置地下实验室,是列入我国国民经济和社会发展“十三五”规划的国家重点项目。该项目于2019年5月获得立项批复、2021年6月正式开工、2022年5月主体工程正式开挖。这标志着我国高放废物地质处置工作全面进入全新的地下实验室建设及研发阶段。北山地下实验室位于甘肃省酒泉市西北的戈壁深处。主体工程由主竖井、螺旋斜坡道和两层试验水平组成。主竖井直径6 m,深590 m。螺旋斜坡道直径7.03 m,长约7.0 km,坡度10%,水平转弯半径255 m,采用隧道掘进机开挖,是世界上首条采用隧道掘进机开挖的螺旋斜坡道。自开工以来,关键设备建造、工程建设和相关科研工作取得了重大进展。用于螺旋斜坡道开挖的“北山1号”掘进机,也是世界首台大坡度小转弯隧道掘进机。该设备于2022年9月研制、制造成功,并于2022年12月正式开掘。截至2023年6月30日,主竖井开挖至280 m深,斜坡道掘进至1628 m,位于280 m深的水平试验巷道已经开挖完成100 m。与工程建设配套的科研工作,包括地质编录、水文地质编录、岩体质量评价、地下水监测和生态环境监测等均稳步推进。研究结果表明:地下实验室场址花岗岩完整、裂隙稀少、岩体质量好,开挖的地下巷道稳定。地下水稀少,主要赋存在裂隙密集带中,具有典型的干旱地区花岗岩裂隙地下水的特征。北山地下实验室预计于2027年建成,这将为填补我国在高放废物安全领域研发平台空白、攻克高放废物地质处置这一世界性难题提供试验平台和基础。

高放废物地质处置用低pH胶凝材料及其基本性能试验研究

pH值小于11的低pH胶凝材料是高放废物处置库建造所需的关键材料。为支撑我国北山高放废物地质处置地下实验室和未来处置库的建设,本文采用破碎溶出法,研究普通硅酸盐水泥掺入不同矿物掺合料后硬化体pH值的变化规律,得到了低pH胶凝材料的配比。通过渗透、浸泡和极限溶出试验评价了低pH胶凝材料的可靠性,借助X射线衍射和扫描电镜,结合室内试验,测定分析了其水化产物、抗压强度和流变参数,并评估了其对北山地下水环境的影响。结果表明:胶凝材料中CaO/SiO2(质量比)与硬化体pH值呈线性关系,低pH胶凝材料的基础配比为在普通硅酸盐水泥中掺入40%的硅灰,硬化体渗透水和浸泡水的pH值分别在约28 d和90 d降低至11以下,在万年尺度分解为松散颗粒时的最大pH值约为11.2,满足处置库要求。与普通硅酸盐水泥相比,低pH胶凝材料150 d水化产物中不含氢氧化钙,胶砂体28 d抗压强度更高,但相同水胶比时注浆浆液的黏稠度更大;按照水固比1∶1浸泡硬化体,浸泡水的主要离子浓度变化幅度不大,对北山地下水环境的影响更小。

高放废物地质处置预选地段调查与适宜性研究

本项研究从高放废物安全处置的需求出发,针对我国高放废物处置库首选预选区(北山预选区)内算井子预选地段,综合运用地质—地球物理—水文地质—地球化学等研究方法获得了地质、水文地质、未来自然变化、地球化学、建造与工程、环境保护和社会经济等方面的数据和资料,评价了预选地段岩体的安全性;从工程建造和工程安全等角度论证了预选岩体的可建造性;确认了预选岩体在运输条件、土地利用、社会经济与人文等方面的可接受性。在此基础上,建立了较为完善的处置库预选地段调查与适宜性综合分析方法,并通过地段适宜性综合分析和地段内场址圈定及其安全性综合对比,在算井子地段中筛选出1个花岗岩处置库候选场址。研究成果将直接服务于我国高放废物地质处置库场址筛选和场址特性评价,对保障我国核废物安全管理和核能可持续发展具有重要的现实意义。

基于开源框架的高放废物地质处置信息发布系统的实现

高放废物地质处置工程是一项具有战略性、长期性和复杂性的大型环保工程,由于处置对象的复杂性和特殊性,同时处置过程具有涉及学科类型多、跨越时间尺度广等特点,因此,建立适于为专业人员甚至是公众宣传服务的信息发布系统具有非常重要的现实意义。通过借助开源技术框架,针对我国高放废物地质处置研发领域信息发布系统开发建设方面的不足,结合高放废物地质处置多源数据特点分析,以基于Web的轻量化应用系统为基础并采用B/S架构,完成高放废物地质处置信息发布系统架构设计;以开源数据库PostgreSQL为存储基础、基于Eclipse编程平台、采用JAVA语言,开发实现了高放废物处置信息发布系统功能模块。研究成果对核设施退役治理领域专业数据管理工作开展具有重要借鉴意义。

高放废物地质处置缓冲材料砌块吊装转运及包装工艺的研究进展

在施工安装期,最大限度保护砌块的完整性和安全性,确保缓冲材料原位试验安装技术顺利进行,开展缓冲材料砌块转运和包装技术研究是基础保障。通过调研芬兰、瑞典和日本高放废物处置库缓冲材料砌块的吊装转运及包装工艺流程及设备。初步查明:芬兰和瑞典将制备好的砌块放置在托盘上,转运到轨道运输机或传送带将托盘转运到储存室,区别在于瑞典现场安装以起重安装装置和吸盘为主;日本在处置单元砌块现场安装试验中,采用起重机和机械夹持装置进行吊装,同时考虑砌块加工凹槽和使用辅助带防止砌块掉落;瑞典、芬兰在砌块包装均采用塑料膜包装或者将堆放在托盘上的砌块整体采用塑料膜包装;日本砌块包装采用塑料膜包装。研究表明:采用真空吸吊机可以完成大型砌块吊装转运及安装;小型缓冲材料砌块采用塑封袋包装和大型缓冲材料砌块采用塑料膜包装,能满足缓冲材料砌块临时储存要求。

高放废物地质处置新场候选场址水文地质特征研究

场址水文地质条件对高放废物处置库而言至关重要,是决定场址适宜性及长期安全的关键因素之一。以我国高放废物地质处置新场候选场址为研究对象,重点分析讨论了场址岩体的渗透性、地下水动力场、水化学与同位素特征及地下水成因机制,目的是从水文地质角度为高放废物处置库场址的适宜性评价提供技术支撑。结果表明:新场候选场址地下水主要以大气降水入渗补给为主,整体上补给能力差;受蒸发浓缩作用影响显著,地下水化学类型主要为Cl·SO_(4)-Na型;场址地下水位的空间分布整体受地形控制,呈现西高东低、中间高南北低,此外,地下水位在垂向上还表现为浅部高、深部低的趋势,具有典型的补给区特征;场址断层和岩体深部的渗透性极低,相应的处置深度渗透系数小于10^(-10)m·s^(-1);14C测年结果表明:场址浅部地下水表观年龄一般小于5.4 ka,深部年龄高达13.2 ka,说明地下水循环更新速率缓慢。新场候选场址水文地质条件总体上具有补给条件差、岩体渗透性低、垂向水力联系弱和循环更新速率缓慢等特点,这些特点对高放废物地质处置都是有利的。

高放废物地质处置北山预选区算井子花岗岩体地质特征

为评价高放废物地质处置北山预选区算井子地段的地质条件适宜性,重点对该地段内的花岗岩体开展了遥感解译、地质调查、地球物理探测和钻孔勘察等处置库场址的区域调查工作,获得算井子岩体的规模、岩性和断层等地质信息,基本掌握算井子岩体的地质特征,为地段的比选和该地段内处置库场址的圈定提供了地质资料。区域调查结果显示:算井子花岗岩体的地表出露面积约176 km^(2),地球物理探测的岩体推测深度约2000 m,钻孔验证的岩体实际深度不少于600 m。该岩体的岩性以中粗粒块状花岗闪长岩为主。岩体中共识别出9条断层,按走向可分为NE向和NW向两组。由这两组断层切割而成的地表面积最大的岩块约46 km^(2)。算井子岩体具备岩体规模较大,地质条件简单,岩性单一,岩体内部断层较少等非常适宜高放废物地质处置的地质条件。

高放废物处置库黏土围岩温度-渗流-应力耦合数值分析

深地质高放射性废物处置库运营过程中,围岩通常处在复杂的温度-渗流-应力多场共同影响的地质环境中,在温度-渗流-应力耦合作用下,合理地确定高放废物处置库硐室间距范围对处置库设计和长期安全稳定性评价尤为重要。基于国内外研究资料,针对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩,使用FLAC3D有限差分软件模拟计算了4种不同的硐室间距,并通过对围岩温度场、渗流场、应力场和变形场进行对比分析,对高放废物处置库硐室间距进行了优化。结果表明:在温度-渗流-应力三场耦合作用下,高放废物处置库黏土围岩相邻硐室间距最优设计值为10~12 m;当硐室间距小于10 m时,废物罐中心温度峰值超过了最高温度设计值100℃,当硐室间距大于12 m时,相邻硐室间的影响逐渐减弱,温度峰值逐渐趋近于单硐室。研究结果可为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。

高放废物分类处置的国际新动向

首先简述国外高放废物(HLW)处置研发工作的现状,然后论述HLW分类处置的概念,研讨影响军用HLW分类处置方案选择的一些因素,以及简介其分类处置的3个方案。这样,把以前不分HLW来源(商用或军用)都处置在同一矿山式处置库中的方案作了细化,推进了HLW处置研发工作的发展。但其中的深钻孔处置方案,现还处于可行性研究阶段,要得到实际应用,今后还有许多工作要做。上述军用HLW分类处置方案的建议是美国蓝带委员会于2012年首先提出的,它对我国的高放废物处置工作也有参考价值。

高放废物玻璃固化与人造岩石固化技术的研究进展

高放废物的处理和处置是世界各核能国家面临的重大挑战。高放废物处理和处置的技术路线是先将其固化,再将其深埋。高放废物的固化有玻璃固化及人造岩石固化两种。玻璃固化已发展成一项成熟的技术,人造岩石固化尚在研发中。由于人造岩石固化工艺更简单,固化体抗浸出性能更优,稳定性更好,已引起世界各核能国家的关注,有可能取代玻璃固化而成为新一代固化技术。本文对玻璃固化和人造岩石固化的类型、机理和优缺点进行了系统的分析,对人造岩石固化的发展方向提出了建议。

模拟高放废物地质处置条件下锝在去离子水体系中的胶体行为

^(99)Tc是高放废物地质处置中重点关注的关键核素,深地质处置条件下其在地下水中的胶体行为对其迁移行为可能存在较大影响,亟需系统开展研究。本文在模拟高放废物地质处置的低氧和低浓(氧气含量小于5 ppm、^(99)Tc初始浓度10^(-9)~10^(-5) mol/L)条件下,首先探讨了用膜过滤法研究锝胶体行为的可行性,发现pH值和离子强度等对^(99)Tc的液闪测定无明显影响,且过滤器对Tc(Ⅳ)和Tc(Ⅶ)均无显著吸附行为,基于此初步建立了锝胶体行为研究的膜过滤实验方法,并采用该方法研究了去离子水体系中锝的胶体行为。结果表明:Tc(Ⅶ)不易发生水解反应,在低氧条件下无明显胶体行为,并能长期稳定地存在于体系中,可能具有较强的迁移能力;Tc(Ⅳ)易水解而聚集为胶体,在较宽pH值范围内(pH=4~11)以真胶体形式在398 d实验周期内较长期地稳定存在于体系中,其浓度高于以离子形态存在的Tc(Ⅳ)的数倍甚至1个数量级,所形成的胶体可能会提高地质处置条件下Tc(Ⅳ)的迁移能力,但体系离子强度升高会使Tc(Ⅳ)胶体易凝聚为大颗粒物质甚至沉淀,导致锝以真胶体形态存在和迁移的可能性降低,因此高放废物处置中,锝胶体行为对其迁移行为的影响应予以足够重视和研究。

高放废物处置库岩体不同条件下缓冲材料饱和机理研究

缓冲材料作为高放废物处置库内最后一道人工屏障,其饱和过程对处置库多重屏障体系设计具有重要意义。以高放废物处置单元为研究对象,建立了相应的热-流-固耦合模型,模拟了饱和花岗岩体条件下缓冲材料饱和过程,并开展了岩体不同边界水压力、岩体裂隙对缓冲材料饱和过程影响研究。研究结果表明:处置库内缓冲材料外部、下部靠近花岗岩的区域饱和度率先增大,然后逐渐由外部向内部、下部向上部进入饱和状态。饱和花岗岩体边界水压分别为5、3和1 MPa时,缓冲材料达到饱和时间分别为28.9、45.63和110.72 a,随着花岗岩体边界水压的下降,处置单元内缓冲材料达到饱和时间将大幅增加。岩体裂隙的渗透率分别为1.098×10^(-17)、1.098×10^(-15)、1.098×10^(-13)和1.098×10^(-11)m^(2)时,缓冲材料达到饱和时间分别为22.69、22.09、17.34和17.12 a,岩体中裂隙的存在能够加快缓冲材料的饱和过程。