高水平放射性废物安全处置

问题年度:2018 问题类型:工程技术难题 学科领域:能源环境 学科细分归类:核科学技术

推荐机构:中国核学会

高水平放射性废物 安全处置 地质处置 环境安全

(一) 问题概述:(简要介绍本问题在现阶段学术研究和科技发展中的最新前沿进展和产生背景,以及未来面临的关键难点、挑战)

高水平放射性废物(简称高放废物)主要是指乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体;对实行“一次通过,即乏燃料直接处置”政策的国家,高放废物也包括乏燃料。高放废物是一种特殊的废物,对环境具有潜在的巨大威胁。高放废物中含有镎、钚、镅、锝等放射性核素,它们具有放射性强、毒性大、半衰期长和发热等特点,它们一旦进入人类生存环境,危害极大,且难以消除。因而高放废物安全处置也成为一个影响核能可持续发展、环境保护和子孙后代福祉的重大问题, 也是一个科学、技术和工程上的重大难题。

对高放废物进行安全处置的难度极大,其难点在于如何使高放废物与人类生存环境永久安全可靠地隔离、如何使公众相信能够保证高放废物处置的安全、如何说服建库地点的居民同意建造处置库等。同时整个处置过程前人从未经历过,缺乏实际工程经验。因此,对该类废物的处置是一项极其复杂的系统工程,它具有长期性、复杂性、艰巨性、综合性和探索性等的特点,这主要表现在:

1)研究开发难度大。建造高放废物地质处置库这样的地下工程,在科学、技术和工程上面临一系列重大难题,包括:如何选择符合条件的场址、如何评价场址的适宜性、如何选择隔离高放废物的工程屏障材料、如何设计和建造处置库、如何评价万年以上的时间尺度下处置系统的安全性能等难题。它们涉及到的均是前沿交叉科学问题,涉及的学科包括地质学、水文地质学、放射化学、岩石力学、工程科学、材料科学、矿物学、热力学、核物理、辐射防护、计算机科学以及社会科学、经济科学等。另外,开发处置库是一个长期的系统化的多学科联合攻关的过程,一般需要经过基础研究、处置库选址、地下实验室研究、处置库建设等阶段。

2)安全评价期极长。国际上一般认定的安全评价期约为1万年(现在美国要求有更长的安全评价期)。这是世界上迄今为止要求安全评价期最长的工程,缺乏可借鉴的前人经验,因此,具有很大的探索性。由于安全评价期要求极长,这就给预测在这漫长的时间长河中天体、地质和人类生存环境的变化,增加了许多不确定性。

3)研究开发周期很长。从目前国际上的实践经验来看,一般从高放废物处置库场地预选到处置库建成需要50年左右时间。

4)研究开发投资大。 如美国尤卡山处置库,从选址到建成和运行整个处置库的生命周期内的总预算是962亿美元。

高放废物安全处置问题已引起有关国际组织和国家的高度关注,他们通过制定国家政策、颁布法律法规、成立专门执行机构、筹措专门经费、制定长期科技开发计划、建立专门的地下研究设施和开展长期研究等方式,从政策、法规、机构、经费和科研等方面确保高放废物的安全处置。国家层面高度重视、健全管理体制并成立执行机构、建立研发设施(地下实验室)、投入重金开展研发是有核国家解决高放废物问题的最重要特点。

目前,高放废物安全处置取得了若干进展, 例如芬兰2001年批准了奥尔基洛托场址,2015年批准建设处置库。瑞典2009年确定了福斯马克场址,预计2025年建成处置库。法国2015年确定了处置库场址,这些重大进展对推动安全处置高放废物、促进核能可持续发展、保障全球核电复苏起到了至关重要的作用。

(二)重要意义 (简要介绍本问题取得突破后,对本领域或相关其他交叉领域科技发展的重大影响和引领作用,以及可能产生的重大科技、经济和社会效益)

高放废物是人类面临的最难处置的废物之一,解决这一难题对确保核能可持续发展、保护环境具有重要意义。

我国的高放废物主要来源于压水堆核电站、国防核设施、CANDU反应堆和将来可能建造的高温气冷堆。压水堆乏燃料经后处理将产生高放玻璃固化体、高放固体废物和α废物。国防核设施生产和军工核设施治理和退役,也将产生高放玻璃固化废物、高放固体废物和α废物。关于CANDU反应堆和将来可能建造的高温气冷堆的乏燃料,目前还没有相关政策。此外,研究堆和核潜艇的乏燃料经后处理后也将产生高放废物,但其数量较少。另外,需要进行深地质处置的还包括长寿命中放废物和高危险度放射源。

我国的核军工设施已产生了一定量的高放废液,经过几十年的暂存,环境风险日益增大,对其进行玻璃固化和最终地质处置已迫在眉睫。 根据国务院批准的 核电中长期发展规划 估算,于2020年之前建成的反应堆,加上届时在建的18个反应堆,最终产生8 万吨乏燃料(相当于2030年美国的乏燃料总量)。若我国核电规模达到100 GW,则所有这些核电站产生的乏燃料总量将达到14 万吨。这些核军工高放废物和核电站逐年增加的高放废物,使得环境风险逐年加大。因此,掌握安全处置技术,对其进行安全处置,对确保我国环境安全和子孙后代福祉、确保核工业可持续发展具有重大意义。