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。

甘肃北山新场深部地下水中铀的赋存形态及其影响因素的地球化学模拟研究

核能的快速发展产生了大量的高水平放射性废物(简称高放废物),对生态环境和人类健康构成了巨大的威胁,其安全处置已成为国际放射性废物管理的重难点问题。深部地质处置被普遍认为是高放废物最安全可靠、技术上非常可行的处置方法。目前,我国已启动了甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室的建设,放射性元素铀在深部地下水中的形态分布及其影响因素从微观层面能为北山深地质处置性能评价提供基础数据,但尚不明晰,亟需开展相关地球化学模拟研究。基于PHREEQC中的llnl.dat数据库,添加NEA-TDB和ThermoChimie数据库中U(Ⅵ)的热力学数据,使用地球化学模拟软件PHREEQC.v3和PhreePlot.v11对铀在我国甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室场址BS28孔深部地下水中的赋存形态及分布进行了模拟计算,旨在厘清铀在北山深部地下水中的赋存形态,探讨pH、pE以及Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)浓度比对铀在北山深部地下水中形态分布的影响。模拟结果表明,在该深部地下水环境下,铀主要以六价的形式存在,Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)和CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)是主要的赋存形态,其占比分别为84.14%和15.16%。受氧化还原氛围的影响,铀的价态在pE<1时逐渐由U(Ⅵ)转变为U(Ⅳ),且在pE=-1~1时,UO_(2)(s)和可溶性碳酸铀酰络合物可同时存在。Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)的浓度比低倾向于形成CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-),浓度比高易于形成Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)。Ca^(2+)-UO_(2)^(2+)-CO_(3)^(2)三元体系很大程度上会影响铀在北山深部地下水的溶解度和迁移能力。本研究结果将有助于查明铀在北山花岗岩裂隙中的迁移和吸附机理。

水热型地热系统水文地球化学研究进展

水热型地热系统是指以水或蒸汽为主要热储介质和热传导介质的地热系统,作为主要的地热资源类型,具有重要科学研究和开发利用价值。综述水热型地热系统的水文地球化学研究方法和进展,主要包括以下几个方面:水化学研究方法,介绍传统水文地球化学方法、多元统计分析方法和机器学习的非线性分析方法,以及不同方法的特点;同位素技术,概述常用的同位素技术在水热系统中的用途和应用实例,以及近期在地热研究中出现的同位素指标;地热温度计,介绍传统地球化学温标温度计、多组分地热温度计和基于活度理论的地热温度计,对比它们的适用条件和优缺点,旨在为水热型地热系统的地球化学研究提供一个基础性的参考框架。未来应该加强水化学特征分析方法的优化和标准化、同位素技术精度的提高、地热温度计的适用性和可靠性评估等方面,以实现水文地球化学方法在水热型地热资源勘查中的高效应用。

北山1号TBM刀盘破岩振动影响参数分析

隧道掘进机在掘进过程中,刀盘破碎岩石会产生振动,刀盘振动对TBM机械与施工会造成负面影响。依托甘肃北山地下实验室斜坡道工程TBM施工段,在北山1号TBM上搭载振动监测系统,通过跟踪现场施工和开展掘进试验,收集研究区段的隧道设计工况信息、围岩信息、掘进参数与刀盘振动信息。开展不同隧道设计工况、围岩类别、掘进参数对刀盘破岩振动的影响分析。研究结果表明:1)隧道转弯段与直线段的TBM刀盘振动强度、主振频率具有一定差异,转弯段TBM刀盘振动强度更大、主要频率更高;2)不同围岩类别下,转弯段刀盘振动主振频率差异较大,而直线段差异较小;3)随着推力、转速的提高,刀盘的振动强度增大,但刀盘三轴振动主振频率不发生改变。

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。

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。

“北山1号”硬岩隧道掘进机胜利通过北山地下实验室螺旋斜坡道首个转弯段

全球首台大坡度螺旋隧道硬岩掘进机“北山1号”,作为核心关键设备服务于北山地下实验室螺旋斜坡道工程建设。简要介绍了“北山1号”研制历程以及成功通过螺旋斜坡道首个转弯段的情况。“北山1号”TBM胜利通过首个转弯段,既标志着该核心关键设备通过调试考验,又初步验证了连续极硬岩、小半径转弯、大坡度下坡、反坡排水、围岩低扰动解决方案的可靠性,为建设世界一流地下实验室奠定了关键的开掘技术保障。

超细水泥生产工艺、性能及工程应用研究进展

超细水泥的发明主要是为了解决因普通水泥颗粒粒径较大无法有效注入微细裂缝的难题。超细水泥兼具普通水泥的耐久性好和化学浆材的流动性高的优点,成为水泥基材料由传统材料转向高新技术材料发展的重要开端,在工程中受到广泛使用。本文回顾和总结了近20年来国内外学者对于超细水泥研究所取得的主要进展,对比分析了干磨法和湿磨法制作超细水泥的生产工艺及其优缺点;比较了超细水泥区别于普通水泥的流动性、体积稳定性和力学性能;总结了粉煤灰和矿粉等掺料的加入对超细水泥浆液的性能影响,并在此基础上,对超细水泥在加固和封堵技术中的应用进行了总结,旨在为超细水泥的生产工艺、基本性能以及相关工程应用提供相关参考。

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。

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。

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。

高放废物地质处置核素迁移模拟方法研究

对放射性核素在多重屏障系统中迁移过程的模拟,是高放废物处置库定量安全评价的重要内容。针对万年以上的安全评价要求,结合核素在多重屏障系统不同单元中迁移过程的差异性,对核素迁移过程进行概化;在概化后的核素迁移过程基础上,建立了核素通过衰变、扩散、吸附、对流和基质扩散等方式迁移的数学模型,包括孔隙单元、含水通道和单裂隙等迁移模型;综合运用不同类型的核素迁移模型和不确定性分析模块,实现了对孔隙和裂隙介质中核素迁移过程的模拟。提出的核素迁移模拟方法,可用于对多重屏障系统中核素迁移全过程的模拟及不确定性分析,为高放废物处置库定量安全评价提供技术支撑。

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。

北山花岗岩裂隙围岩蚀变矿物学及地球化学特征

在地质流体的作用下,花岗岩裂隙两侧常发生不同程度的围岩蚀变,蚀变可能会改变围岩的矿物组成、化学组分乃至对放射性核素的阻滞性能。因此,查明深部岩体裂隙围岩的蚀变特征是处置库场址评价的重要内容之一。以北山新场和沙枣园花岗岩体深钻孔岩心为调查对象,借助显微分析、X射线荧光法等分析测试手段,研究分析了裂隙两侧岩石蚀变的矿物学及地球化学特征,初步探讨了蚀变作用对于围岩还原能力的影响。研究结果表明:北山花岗岩裂隙蚀变岩仅在少数裂隙两侧分布,主要类型为因矿物交代作用引起的钠长石化、黏土化、赤铁矿化和绿泥石化等,每种蚀变作用过程使得围岩的矿物组分与化学组成发生特定变化,除Na_(2)O、K_(2)O、CaO、Fe和LOI等元素以外,其他主量元素含量在蚀变作用中变化微弱或无变化。仅从Fe(Ⅱ)含量变化上分析,北山花岗岩裂隙蚀变作用对围岩还原能力的影响很小。

地表结构面影响下的花岗岩体抗剪强度分析

花岗岩中因存在的不规则结构面导致岩体在不同方向上的强度存在较大差异。在选址阶段确定岩体不同方向的力学强度参数有助于未来高放废物地质处置工程的设计与施工。连通率是反应岩体内部结构面贯通程度的重要参数,可以通过确定裂隙岩体连通率来判断工程岩体的综合抗剪强度。在现场结构面测量基础上,采用Monte-Carlo随机方法,模拟出与现场结构面几何分布特征一致的裂隙网络模型。利用裂隙网络模拟对预选区不同剪切方向结构面的连通率和岩体抗剪强度参数进行分析。研究表明:不同方向的结构面连通率和岩体抗剪强度差异性明显,其中产状为146°∠79°方向上的结构面连通率最大,内摩擦力11.92 MPa,内摩擦角44.8°,易发生破坏,需在工程设计与施工过程中予以重视。

北山地下实验室科研管理平台顶层设计

北山地下实验室建设工程是我国“十三五规划”的重点项目,建设期间将开展大量现场试验,为保障现场试验和科研工作的顺利开展,需建设科研管理平台,实现北山地下实验室现场试验全流程信息化管理及试验数据接入、传输、存储、管理和使用,并确保数据安全性、完整性、可靠性和可追溯性,为处置工程技术研发和安全评价提供数据支撑和决策依据。阐述了北山地下实验室科研管理平台顶层设计方案,全面介绍了平台总体需求、总体设计和建设内容,并将平台划分为科研数据动态管理系统、科研信息化办公系统、综合信息门户系统、数据接入与传输系统、数据存储与备份系统和安全防护系统,以满足北山地下实验室科研及办公管理需求。

北山地下实验室场址多尺度地壳形变观测系统的构建

在参考国外主要硬岩地下实验室场址地壳形变观测的经验,并结合我国高放废物北山地下实验室的定位和区域构造条件的基础上,构建了我国地下实验室场址多尺度地壳形变观测系统,该系统主要由跨断层、GNSS(Global Navigation Satellite System)和InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)形变观测3种手段组成,其中,利用跨断层和GNSS观测,给出地下实验室场址西侧关键构造(旧井断裂)的现今近场和远场的三维形变速率,评估断裂未来的活动趋势;GNSS观测以获得地下实验室场址所在新场岩体的水平形变特征;InSAR用以分析研究区最大LOS(Line of Sight)向的时序高分辨率形变速度场。以上3种手段的结合,初步实现了对地下实验室场址所在区域近场和远场范围多维度、多尺度的形变观测,观测对象囊括了场址区的主要断裂构造和大型岩体,该系统的建立填补了我国高放废物地下实验室场址形变观测的空白,为场址的适宜性评价奠定了良好的基础。

高放废物地质处置及其若干关键科学问题

如何安全处置高水平放射性废物是科学、技术和工程界所面临的挑战性问题。在介绍国内外最新研究进展的基础上,重点讨论高放废物地质处置的若干关键科学问题:处置库场址地质演化的精确预测、深部地质环境特征、多场耦合条件下(中(高)温、地壳应力、水力作用、化学作用、生物作用和辐射作用等)深部岩体、地下水和工程材料的行为、低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为及处置系统的安全评价。同时,介绍了国外若干重大科研项目和若干研究热点问题。

中国高放废物深地质处置(英文)

介绍了中国高放废物地质处置计划的背景、初步技术战略和长远规划。中国的高放废物地质处置研究始于1985年,计划于21世纪中叶建成国家高放废物处置库。位于我国西北甘肃省的北山地区被选为最有远景的处置库预选区。1999～2004期间,在该区开展了初步的场址特性评价研究,包括地表地质、水文地质和地球物理调查、4口钻孔(北山1#,2#,3#及4#孔)的施工及钻孔现场试验,并获得了大量成果。在缓冲回填材料、放射性核素迁移以及天然类比等方面也取得了进展。