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對核廢料處置的深入思考

來源:中國核電信息網 發布日期:2022-11-12

長期以來,成功創建高放射核廢料深層地質處置場一直是核工業面臨的關鍵挑戰。如今,該行業一系列的突破似乎在探索的盡頭露出了曙光。


1、深層地質儲存庫

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芬蘭已開挖五條核廢料儲存隧道(圖源:網絡)


雖然核電現在被視為清潔能源轉型中的關鍵角色,但長期處置核廢料仍然是該行業面臨的關鍵挑戰。


深度地質處置被廣泛認為是永久處置高水平廢物(尤其是乏燃料組件)最可行的解決方案,但在開發物理儲存庫方面進展甚微。


至少直到最近,情況是這樣的。今年已經出現了一些重大發展。


越來越多的證據表明,最終儲存庫的發展正在加快,瑞士的深層地質儲存庫選址現已選定。


在2019年開始的為期三年的鉆探活動中,負責瑞士處置計劃的國家放射性廢物處置合作組織(Nagra)在三個潛在選址區域鉆了9個鉆孔,每個區域都有一層100米厚的Opalinus粘土,非常致密且牢固。

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這一乳白色粘土層將作為瑞士的儲存庫,是容納放射性物質的最重要的長期安全屏障。


盡管各地區不同,例如,Opalinus粘土層的深度可能會隨著相鄰巖層的變化而變化,但經過18個月的初始計劃,Nagra能夠確認有可能在所有考慮的三個地區內建造一個安全的深層地質儲存庫。


Jura Ost、No¨rdlich La¨gern和Zu¨rich Nordost地區的進一步勘探和后續鉆井作業最終完成了總計10,000米的鉆孔和超過6000米的巖芯回收,這是1.7億瑞士法郎(1.7億美元)活動的一部分。


在繪制了完整的地下地圖后,盡管存在冠狀病毒和鉆井過程中的小技術困難,地質與安全主管兼Nagra執行委員會成員蒂姆·維埃托(Tim Vietor)確認,不僅有可能建造一個儲存庫,而且還有足夠的空間用于儲存低、中、高廢料的組合儲存庫。


2、聯合儲存庫

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大量巖芯樣品證明了瑞士聯合儲存場地的適用性(圖源:網絡)


《瑞士核能法》規定,瑞士的放射性廢物必須在深層地質處置庫中處置。Nagra提出了一個適用于所有類型放射性廢物的聯合儲存庫。


Nagra宣布,它對諾德利?!だ穸鳎∟o¨rdlich La¨gern)的結果感到滿意,那里的Opalinus粘土非常致密,粘土層上方有一個珊瑚礁。


9月,Nagra宣布,它選擇了位于蘇黎世北部祖里奇州祖里奇低地的地區作為首選儲存地點。


盡管所有的場地都有相似的主巖,但限制性地質單元的差異意味著諾德利?!だ穸鞅阮A期更適合儲存庫建設,并且擁有最大的安全儲量。


此外,該場地還擁有適合施工的最大地下區域,為儲存庫的最終布局提供了最大的靈活性。


2015年,Nagra曾擔心,從工程角度來看,在諾德利?!だ穸鹘ㄔ靸Υ鎺鞂⒏咛魬鹦?。然而,進一步的調查顯示,Nagra的初步評估過于謹慎。


Nagra的CEO馬蒂亞斯·布勞恩(Matthias Braun)指出,深部地質處置場選址方案的制定可以開始,Nagra目前正從研究階段過渡到許可和實施階段。


Nagra現在將準備一般許可證申請,預計將于2024年提交給聯邦委員會。


然而,Nagra表示,大約30年左右的時間才能真正開始垃圾填埋作業。


儲存庫的地面入口將在祖里希州斯塔德爾的哈伯斯塔爾區建造。Nagra還計劃在Zwilag臨時儲存設施建設封裝廠,該設施已經存在并已運行多年。它位于阿爾高州的吳仁林根(Wu¨renlingen)。


3、克服技術難題——膨潤土

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隨著長期地質廢物處置物理場地的進展,Nagra是眾多研究小組之一,他們也在致力于解決該解決方案帶來的一些技術挑戰。


例如,美國勞倫斯·伯克利、桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家正在與Nagra合作開展HotBENT項目,該項目旨在研究膨潤土在長期受熱時如何保持其安全功能。


膨潤土是一種天然的粘土基材料,放置在掩埋的高水平廢物容器周圍。因為一旦接觸水就會膨脹,這一特性有助于防止廢物移動。


伯克利實驗室HotBENT首席科學家鄭連戈(LianGe Zheng)解釋道:“人們擔心地下核廢料釋放的熱量會改變膨潤土緩沖層和主巖的地球物理和地球化學性質?!?/p>


鄭補充道:“對于這一長期系列的實驗,我們將評估膨潤土中的熱、水文、化學和機械變化,以及隨著時間的推移對材料安全功能的影響?!?/p>


HotBENT項目由Nagra領導,但也包括美國能源部以及加拿大、日本和英國的合作伙伴。


通過證明膨潤土對高溫的耐受性,該項目的目標是通過允許廢物容器之間更緊密的間距和減少整個儲存庫的占地面積,使更多的放射性廢物能夠安全地儲存在地下儲存庫中。


現場測試于2021年9月在瑞士格里姆塞爾(Grimsel)地下試驗場開始。


安裝了四個加熱器后,溫度在幾個月內緩慢升高,最終達到200°C。


這是存儲庫當前最大允許溫度的兩倍。然而,先前的研究表明,即使在兩倍于最高溫度的情況下,膨潤土也不會失去很多有益性能,在模擬中膨潤土的膨脹能力最多只降低約4%。


在最初的18個月測試計劃中,科學家們將研究可能影響膨脹能力的材料變化。


從長遠來看,Grimsel場址的建設將允許在2026年左右,加熱五年后部分拆除一個扇區。預計在2041年左右,加熱和水合階段的20年后,該扇區將完全拆除。


鄭說:“如果瑞士試驗場能夠在很大程度上驗證建模結果,那么膨潤土緩沖液可能能夠在比之前考慮的高得多的溫度下保持其大部分保護功能?!?/p>


4、加拿大廢物儲存庫

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NWMO表示,將利用鐵路和公路運輸將超過 500 萬乏核燃料束運送到深層地質處置庫。(圖源:NWMO)


加拿大核廢物管理組織(NWMO)也在與Nagra合作,最近宣布了其廢物處理計劃的進展,在安大略省奧克維爾的試驗設施全面展示了其工程屏障設計。


NWMO副總裁兼總工程師克里斯·博伊爾(Chris Boyle)表示:“演示的所有元素都按照預期和計劃進行?!?/p>


加拿大高水平廢物儲存庫將建在地下500米以上,設計采用一系列五道工程和天然屏障。


目前正在考慮兩個區域作為儲存庫位置,即安大略省西北部的Wabigoon Lake Ojibway Nation Ignace區域和安大略南部的Saugen Ojibway Nation South Bruce區域。

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NWMO現場服務經理表示:“2021年春季在南布魯斯開始鉆井的準備工作進展順利。第一個井場的施工已經完成,我們的承包商已經開始在第二個井場施工?!?/span>


在試驗過程中,為乏燃料設計的容器被移動到模擬儲存空間,然后剩余空間被松散的顆粒狀膨潤土粘土材料填充。


組裝完成后,每個乏燃料容器及其膨潤土填充的緩沖箱重約8000千克。目前正在進行深入分析以評估結果。


自2010年國會停止資助尤卡山(Yucca Mountain)遺址以來,美國尚未確定一個長期處置高水平廢物的新地點,但那里的工作仍在繼續。


8月,總部位于美國的“深度隔離”(Deep Isolation)和Amentum簽署了一份協議備忘錄,將“深度隔離”的核廢料處理技術商業化,該技術具有定向鉆井的特點。


該公司辯稱,這是傳統深挖掘方法的替代方案。聯合工作的最初客戶目標包括歐洲和太平洋國家,這些公司估計,那里的市場價值超過300億美元。


“世界瞬息萬變,為了核能的成功,我們必須解決核廢料挑戰,”“深度隔離”的CEO伊麗莎白·穆勒(Elizabeth Muller)指出。


5、批準向前邁出了一步

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瑞典政府最近批準了福斯馬克地下儲存庫(圖源:網絡)


隨著技術和物理的發展,今年也出現了重要的政治和監管舉措。


例如,在法國Cige′o,高級和中級廢物的深層地質處置項目是公共事業申報(DUP)的主題。


這一舉措標志著法國國家放射性廢物管理局(Andra)Cige′o項目許可過程中的一個關鍵點,政府于7月在官方期刊上公布了這一法令決定。


儲存庫將位于默茲省和上馬恩省之間的邊界,設計用于在500米深的穩定地質層中儲存高水平廢物。


該設計包括對已處理且持續時間不少于100年的廢物包裝的潛在回收。


其目的是確保處置設施在未來幾代中的可逆性,這種可逆性將主要通過逐步建設設施、設計和靈活處置系統的適應性、技術進步的整合以及對能源政策的任何潛在變化的適應來實現。

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法國Cige′o地下隧道(圖源:網絡)


盡管這是一項重大發展,但Cige′o的公用事業申報并非施工許可證(施工許可證申請預計將于今年年底提交給法國核安全局(ASN))。


瑞典今年也宣布了一項重大發展,政府決定允許SKB在奧斯卡姆市的福斯馬克(Forsmark)建立一個最終儲存庫,同時在奧斯卡姆恩建立一個封裝工廠。


許可程序的下一步是由土地和環境法院確定相關條件,而瑞典輻射安全局也將根據《核活動法》決定許可條件。


40多年來,SKB一直在研究和開發最終儲存庫的技術,并于1992年開始尋找地質儲存庫的場地。


然而,只有在所有許可證到位后,才能開始實際施工。最終批準到位后,建造乏燃料儲存庫需要大約10年的時間。


SKB首席執行官約翰·達什特(Johan Dasht)在一份聲明中表示:“我們現在期待著實施瑞典最大的環保項目?!?/p>


該案件現在將移交給土地與環境法院和瑞典輻射安全局。


6、芬蘭項目00.jpg奧爾基盧托核電站地質處置設施(圖源:網絡)


盡管在許多國家都取得了進展,但芬蘭在開發物理存儲位置方面處于領先地位。


奧爾基盧托(Olkiluoto)地下400-450米處的地質處置設施建設接近完成。


第一批廢料預計將于2024年放置,7月前五個實際最終處置隧道的開挖工作已完成。將在前五個處置隧道中鉆取約180個處置膠囊的孔,總長度約為1700米。


該地點被稱為ONKALO,是在對整個國家進行初步篩選后選定的,然后在四個入圍地點進行詳細選址。

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雖然所有的地點都是合適的,但奧爾基盧托的可用面積最大,大部分乏燃料已經儲存在那里。


政府于2001年做出最終決定,隧道開挖于2021年5月初開始。Posiva是負責機構,由該國的核發電公司所有。


雖然深層地質處置是長期解決乏燃料等高水平廢物的最佳方案,但同樣明顯的是,即使在芬蘭、瑞典和法國等領先開發競賽的國家,實際儲存的執行也有一定的差距。


鑒于這意味著繼續使用干式或濕式儲存乏燃料組件,現場也正在進行大量研究。


例如,國際原子能機構(IAEA)最近啟動了一個新的協調研究項目(CRP),以探索乏核燃料儲存系統的長期影響。


該機構指出,大多數現場存儲系統最初設計為可使用20至50年。


然而,幾十年來,長期處置前的乏燃料儲存時間一直在穩步增加。


大約有60年的濕式儲存和4年的干式儲存,現在典型的儲存時間為100年或更長。


在一些國家,這一時期長達300年,并且正在設想中。盡管在設想中,已經算出了良好的性能數據,并獲得了寶貴的操作經驗,目前正在開展工作,為延長當前許可的存儲方法的持續時間,以及在這些系統達到其原始設計壽命時的額外監測和檢查技術提供科學依據。


新的四年期研究“延長貯存系統性能評估”旨在收集乏燃料貯存系統性能、監測和檢查方面的運行經驗和研究結果。


該方案的主要目標是加強關于干式或濕式乏燃料儲存系統長期性能以及檢查和監測技術的技術知識。


具體的研究目標包括確定濕式和干式乏燃料儲存系統中使用的材料的降解機制,開發儲存系統和運輸容器維護和檢查的新方法,開發監測干式儲存系統安全性的技術,以及其他研究領域。


在全球范圍內,核工業將不可避免地創建深層地質處置地點,這些地點將在未來幾十年內投入運營,2022年將成為關鍵發展突破的重要一年。


作為一個行業,這對未來發展至關重要,但對于許多擁有積極核計劃的國家來說,這離實現還有一段路要走。(完)


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