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。

中国高放废物地质处置地下实验室场址筛选

高放废物地质处置地下实验室建设项目是我国“十三五规划”的重点项目。文章介绍了我国首座高放废物地质处置地下实验室场址筛选的总体思路、筛选准则、候选场址特征、场址比选的定性和定量方法、比选过程和最终结果。我国首座地下实验室总体定位为第三代地下实验室,即特定场区型地下实验室。以此为指导,综合分析对比了甘肃北山、内蒙古、新疆三大预选区中9个预选场址(旧井西、新场、沙枣园、算井子、雅满苏、天湖东、阿奇山1号、塔木素、诺日公)的地质条件、未来自然变化、水文地质条件、人类活动、建造和工程条件、环境保护、土地利用、社会经济和人文条件等场址条件和特征,先筛选出新场、沙枣园、诺日公和雅满苏4个场址。在获得当地政府同意的基础上,经国家层面的专家评审会,最终确定甘肃北山新场为我国首座高放废物地质处置地下实验室场址。以新场场址为基础,完成了地下实验室的工程设计。2021年6月地下实验室正式开工建设。

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。

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。

高放废物地质处置安全要求及评价模式探讨

安全评价是对高放废物地质处置设施提供安全功能并满足法规、标准要求的系统分析与评价,是建立处置安全信心的关键。高放废物地质处置的时间尺度一般在万年以上,安全评价的核心在于论证处置设施是否安全这一结论的可靠性及坚稳性,其安全要求和评价模式有别于核电站等常规核设施。针对高放废物地质处置安全评价的核心关注点进行了概述,主要涵盖安全功能、包容和隔离要求、评价时间尺度和评价指标等安全要求,以及处置系统描述、FEPs分析、核素释放与迁移情景开发、核素迁移模式构建、计算与不确定性分析等安全评价模式。鉴于地下实验室在高放废物地质处置研发中的重要作用,就如何发挥好处置概念对确立安全要求的引导作用,以及以FEPs筛选和情景开发为基础进行安全评价模式构建进行了论述。借此,希望能加深相关方对高放废物地质处置安全评价的理解,强化北山地下实验室研究对安全要求及评价模式重要性的认识,为高放废物地质处置的稳定发展提供支撑。

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。

中国高放废物地质处置地下实验室场址深部岩体地应力测量及工程应用

为了给我国高放废物地质处置地下实验室工程设计提供应力边界条件,采用水压致裂法,在场址内部的4个钻孔中进行地应力测量,完成90段压裂试验和34段水压裂隙印模试验,根据测得的地应力及其方向,揭示场址应力场的分布特征。基于场址地应力分布规律,结合室内测定的场址岩石启裂应力参数,根据地下实验室初步设计方案,进行地下实验室主体结构受力行为数值模拟。研究结果表明:场址岩体地应力随深度的增加表现出逐渐增大的趋势,在深度为60~600 m范围内,最大水平主应力(σH)小于25 MPa,与场址钻孔岩石的单轴压缩强度相比为低地应力水平。同时,σH普遍大于垂直应力(σv),表明场址地应力场主要受水平构造应力的控制。此外,所有测点的σH方向均为NE,优势方向为NEE,平均为N55°E,与北山预选区地壳运动速度矢量基本一致。获得了斜坡道、竖井和水平巷道启裂指标的分布特征,为完善试验巷道和硐室的布置方案提供了科学依据。

高放废物处置缓冲材料砌块养护方法研究

在高放废物地质处置库中,作为阻滞核素迁移的关键环节,缓冲材料通常以高压实砌块形式放置于废物罐周围。为了保证砌块的工程性能,缓冲材料砌块在制备、储存、运输和安装等各阶段均应进行环境湿度控制,以减少环境湿度对砌块性能的劣化影响。以高庙子膨润土压实试样为研究对象,开展了裸样、覆膜、覆膜+密封等不同包装方式,在0~100%相对湿度环境下的长期养护性能测试。试验结果表明:针对含水率介于13%~15%之间的膨润土压实试样,当环境湿度在80%~92%养护时,试样的质量变化均不超过1%;其中在92%的环境湿度下,试样的质量变化不超过0.3%,为最优养护环境。采用覆膜+密封包装方式,可大幅拓宽环境湿度范围,试样在不同相对湿度下的质量变化大幅减少,当相对湿度超过57%后,试样的质量变化比均不超过1%。其中在相对湿度为92%的养护环境下,试样的质量变化比最小,仅为0.032%。研究结果可为解决米级尺度高放废物地质处置缓冲材料大型砌块长期存储这一难题提供基础参数和技术支撑。

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。

高放废物处置坑小直径盲井掘进机预选刀具破岩性能对比分析

盲井掘进机是处置坑开挖的常用设备,刀具的合理设计与布置是其高效掘进的关键。北京工业大学TBM与盾构课题组针对北山高放废物处置坑小直径盲井掘进机预选了11英寸(279 mm)双排锥齿滚刀和双排镐齿滚刀两种刀型。本研究应用两种预选刀型对北山花岗岩试样进行线性切割破岩试验,对比分析两种刀型的滚刀力、破岩比能、岩片分布、振动特征和岩下损伤特性等指标。试验结果表明:锥齿滚刀在相同贯入度下的破岩法向力和振动强度小于镐齿滚刀,锥齿滚刀破岩效率整体上更高,并且锥齿滚刀破岩产生的贯通裂纹发育也更为显著。综合比较分析认为锥齿滚刀破岩性能更优,推荐采用预选的双排锥齿滚刀进行北山处置坑小直径盲井掘进机刀盘布置。本研究还可为盲井掘进机刀盘与推进系统设计及施工运行参数优化提供参考。

高放废物处置缓冲材料砌块抗压强度特性试验研究

缓冲材料是高放废物处置库中最后一道工程屏障材料,起着防止废物罐发生机械破坏和维护处置库结构长期安全稳定等作用。以缓冲材料砌块为研究对象,开展了不同制样方式下缓冲材料砌块的无侧限抗压强度特性试验,探讨了常规单向压实、双向压实及大型砌块取芯制样对砌块抗压强度的影响,从试样破坏形态和干密度分布等方面分析了不同制备条件下缓冲材料砌块抗压强度的差异性。实验结果表明:小型压实试样的干密度在压制高度方向上有较大差异,单向压实试样的差异比双向压实试样更大。单向压实试样顶部干密度最大,底部干密度最小;双向压实试样中部干密度最小,逐渐向两端增大,呈对称分布。小型压实试样在单轴压缩时,裂纹总是从干密度最低的部位开始发展。在相同干密度和含水率条件下,大型砌块取芯试样的无侧限抗压强度明显高于小型压实试样的抗压强度,双向压实试样的抗压强度为大型砌块取芯试样的70%,而常规单向压实试样的抗压强度仅为大型砌块取芯试样的47%。研究结果可为高放废物地质处置库工程屏障的设计提供参数依据和理论支撑。

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。

高放废物处置核心单元温度演化过程模拟研究

我国首个高水平放射性废物地质处置地下实验室已经开工建设。结合工程研发过程,借助现场试验等手段,建立我国高放废物处置库多重屏障系统模型是地下实验室研究的重要任务之一。开展核心处置单元温度场演化过程模拟分析是验证和优化多重屏障系统设计方案的重要手段。结合瑞典和日本的研究经验,根据我国地下实验室场址岩体的导热性能和赋存条件,开展了核心处置单元温度场数值模拟研究,获得温度场演化规律。研究表明:(1)北山地下实验室场址花岗岩具有良好的导热性和赋存条件,可有效包容和传导高放废物产生的热量,是良好的天然屏障;(2)根据温度场演化模拟结果,可通过缩小处置坑间距,优化处置库单元的设计参数。研究成果为我国处置库概念设计提供参考依据。

高放废物处置区域尺度岩体适宜性评价研究

岩体适宜性评价是高放废物处置库选址和设计的重要工作内容,以判断场址岩体是否满足处置库长期包容和隔离核素的功能要求。依据我国的高放废物处置概念和场址条件,提出了QHLW岩体适宜性评价方法,但目前QHLW在场址尺度展开了较为深入的研究,尚未在处置区域尺度、处置巷道及处置坑尺度建立完善系统岩体适宜性评价方法。结合芬兰地下实验室研究和处置库设计经验,建立处置区域尺度岩体适宜性评价准则QP HLW,提出了裂隙带影响、地下水化学条件、岩体渗透特性、岩体强度应力比值以及岩体完整性等评价指标的取值方法,并确定岩体适宜性评价分级标准。随后,利用芬兰高放废物处置ONKALO地下实验室场址数据,测试和验证处置区域尺度岩体适宜性评价准则QP HLW的合理性与可行性。最后以北山地下实验室新场场址为评价对象,开展处置区域尺度岩体适宜性评价,适宜性评价结果表明:新场场址在处置深度400~450 m及550~600 m内岩体完整性高,岩体适宜性程度高,适合布置处置巷道。