作业核废物处置概论 李文国06080109.docx

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作业核废物处置概论李文国06080109

目录

核废物处置概论1

第1章概述1

第2章中、低放废物处置3

2.1中、低放废物处置方法3

2．1．1地下渗滤处置3

2．1．2深井注入处置3

2．1．3水力压裂处置3

2．1．4海洋投弃处置3

2．1．5陆地浅埋处置4

2．1．6废矿井处置法4

2．1．7深岩硐处置法4

2．1．8滨海底处置4

2．1．9海岛处置4

2.2我国的发展趋势4

第3章高放废物处置6

3.1高放废物处置方法6

3．1．1深岩硐处置6

3．1．2废矿井处置6

3．1．3深钻孔处置6

3．1．4岩石熔融处置6

3．1．5深海床处置6

3．1．6核嬗变处理7

3．2世界各国高放废物处置7

第4章废物处置前沿热点10

4．1深地层埋藏法10

4.2微生物处理10

4.3深层熔融法10

4.4“土壤熔解”法11

4．5盐穴深埋处理11

核废物处置概论

第1章概述

核废物的处置,是当前核工业面临的重要问题,已受到国际上的高度重视,各种既安全可靠又经济可行的处理方法已在开发研究之中。

核废物主要来自核武器工厂和核电站，主要成分是少量未燃烧的铀、反应产生的钚等放射性核素和大量稳定而又安全的液体。

这些核废料具有一定的放射性,若处理不当就会污染环境。

中低放射性核废料危害较低,国际上通行的做法是在地面开挖深约10～20m的壕沟,然后建好各种防辐射工程屏障,将密封好的核废料罐放入其中并掩埋,一段时间后,这些废料中的放射性物质就会衰变成对人体无害的物质。

该方法经过几十年的发展,技术已经十分成熟,安全性也有保障。

目前,我国已经建成2个中低放射性核废料处置场,其中,北龙中低放处置场位于广东省大亚湾附近,另外一个则建在甘肃省某地。

目前对于低放射性的废气一般采用喷淋、清洗、过滤、浓缩的办法,使放射性降低到一定的标准后,通过高烟囱排放到大气中去。

对低放射性的废液,采用净化的方法,即通过化学沉淀、蒸发、离子交换等三道工序进行处理,使其达到排放标准,然后排放掉或循环重复使用。

对于高放射性废物,必须进行特殊处理,将它永久隔离起来。

自上世纪40年代英国、前苏联等国家开始处置低（中）放废物以来，各国曾采用地下渗滤法、深井注入法、净化排放法、水力压裂法等处置低、中放废液，曾采用陆地浅埋法、废矿井法、海洋投弃法处置低、中放固体废物。

高放废物至今仍处在研究阶段。

自从各国采用以上方法处置核废料50余年来，已积累了许多经验和教训，在陆地浅埋法、废矿井处置法等技术更加成熟的同时，也淘汰或趋于停止使用曾给生态环境造成放射性污染的一些处置方法，例如，低、中放废液的地下渗滤法，低、中放固体废物的海洋投弃法等。

目前，除个别国家（德国）仍计划直接处置低、中放废液（含氚废水）外，其他国家已基本停止直接处置低、中放废液，而是将其固化后再作地质处置。

几十年来,世界各国对高放射性核废料处理技术进行了广泛的研究,高放废物的处置方法可分为地质处置法和非地质处置法两类。

地质处置法有深岩硐处置法、废矿井处置法、深钻孔处置法、岩石熔融处置法和深海床处置法。

非地质处置法有冰层处置法、太空处置法和核嬗变处理法等。

其中除深岩硐处置法和废矿井处置法已进入实施阶段外，其他处置方法或处于研究开发阶段，或仅是一种设想。

就总体而言，高放废物处置技术现仍处于探索阶段。

第2章中、低放废物处置

2.1中、低放废物处置方法

以下4种是已停止使用或很少使用的放射性废物处置方法，在此仅作扼要介绍。

2．1．1地下渗滤处置

将低、中放废液排入地表沟槽内，借土壤、砂砾层对废液中有害物质的吸附、渗滤作用，净化废液的一种地质处置方法。

2．1．2深井注入处置

将废液经由注入孔高压压入1000一1500m深处相对封闭的透水岩层中，借此将放射性废液永久的与生物圈隔离的一种地质处理、处置技术。

2．1．3水力压裂处置

将浓缩低、中放废液与水泥、粘土混合后的灰浆，通过钻孔用高压设备将其注入300一500m地下预选被压裂的不透水岩层中，使废液迅速固化成为岩层的一部分，以此达到永远隔离核废物的目的。

这是将放射性废液的固化处理与处置合为一体的最终处置技术，水泥固化体和岩层构成安全处置的二道屏障。

2．1．4海洋投弃处置

又称海洋倾倒处置，这是将低、中放废物容器（一般为混凝土固化体，外加钢桶包装）投入远离陆地的预定海域．使废物容器自行沉入海底，或直接向海洋排放低放废液,借海水隔离和稀释放射性物质的一种非地质处置方法。

中、低放固体废物的地质处置方法有陆地浅埋法、废矿井处置法、深岩硐处置法、滨海底处置法、海岛处置法等。

2．1．5陆地浅埋处置

中、低放废物的陆地浅埋处置是指核废物在地表或地下、具有防护覆盖层、有工程屏障或设有工程屏障的浅埋处置，其埋深一般不超过50m。

2．1．6废矿井处置法

将中、低放废物处置在地下废矿井中，是一种较安全的处置方法。

2．1．7深岩硐处置法

中、低放废物的深岩硐处置法，又称矿山地质处置法，是将该类核废物处置在埋深超过300～500m的地下人工岩硐中。

2．1．8滨海底处置

中、低放废物的滨海底处置，是瑞典根据本国临海的特点，通过与陆地相连的斜井（两个斜井各长1Km），将废物处置在至波罗的海海底下约60m的结晶岩中。

2．1．9海岛处置

中、低放废物的海岛处置，是选择几乎无人居住和活动的荒芜海岛，或者沿大陆架的岛屿和大洋孤岛作为处置场，将中、低放废物（甚至有人设想包括高放废物）作陆地浅埋或废矿井处置等。

我国台湾的中、低放废物就采用这种处置方式，另外还有芬兰、巴西等国也采用这种处置方式。

2.2我国的发展趋势

我国华东、华南沿海地区，人口密度大，土地经济价值和利用率高，经常受强台风、龙卷风袭击，暴雨和滑坡等自然灾害也常有发生，浅地埋藏不是最理想方案。

建议该地区优先考虑海岛处置。

我国西北地区干旱、雨量少，人烟稀少，那里适宜于建立浅地埋藏场，处置核工业运行和退役产生的废物。

我国西南地区，如四川，人口密度大，土地利用价值高，雨量大，也不宜选择浅地埋藏法。

那里建议优先考虑岩穴或废矿井处置。

我国华北、东北地区，如辽西、内蒙、冀西北有厚黄土层，大型高岭土、膨润土矿床，那里人口密度相对较少，气候比较干旱，建议优先考虑采用浅地埋藏处置法。

第3章高放废物处置

3.1高放废物处置方法

3．1．1深岩硐处置

高放废物的深岩硐处置是将固化高放废物处置于地下（＞500m）人工深岩硐中。

3．1．2废矿井处置

高放废物的废矿井处置原理与低、中放废物的废矿井处置原理相同，所不同的是处置高放废物时对废矿井的工程质量要求，明显高于处置低、中放废物时对废矿井的工程质量要求。

绝大多数处置低、中放废物的废矿井，都不具备处置高放废物的条件，这是由于高放废物的比活度较大，放射毒性较大，安全处置期长，处置库必须具有较好的水文地质、工程地质等条件。

3．1．3深钻孔处置

高放废物的深钻孔处置是将高放废物容器处置在数千米乃至上万米深、孔径为0.75～1m的深钻孔或超深钻孔内，然后用粘土、岩石碎块、混凝土等回填材料封孔，使高放废物永久与生物圈隔离。

这一处置技术目前还处于开发研究阶段。

3．1．4岩石熔融处置

高放废物、超铀废物的岩石熔融处置，亦称地下熔融处置，这是将高放废液注入钻孔或深部（＞2000一3000m）岩硐中，在此后较长的时间内，借高放废液衰变热，将岩石与废液熔为一体（温度超过1000℃，经冷却后成为岩石固化体，从而达到永久隔离高放废物的目的。

3．1．5深海床处置

高放废物的深海床处置，是选择底部沉积物为粘土的深海区，将高放废物容器植入深海（4000一6000m）底部粘土沉积物深处（＞20一30m），借海底未固结粘土和海水永久隔离放射性废物。

该方法与低、中放废物海洋投弃的区别是，后者将废物容器投弃在海底沉积物表面，一般得不到海底沉积物屏障的保护。

3．1．6核嬗变处理

高放废物的核嬗变处理，亦称“核灰化”处理，这是利用核反应装置（加速器、核反应堆、受控热核反应等）使核废物中的长寿命超铀核素（主要为锕系元素），受中子诱发活化、裂变生成短寿命同位素或稳定同位素，借此将高毒性废物转变为低毒性或无毒性核废物。

由于高放废物处理、处置技术的复杂性、不确定性，近年来，国外对放射性废物（包括乏燃料）核嬗变处理技术的研究热情再度高涨，我国也正在开展同类探索性研究。

3．2世界各国高放废物处置

高放射废料处置时,首先要将其制成玻璃化的固体,然后装入可屏蔽辐射的金属罐中,最后将这些金属罐放入位于地下500～1000m的处置库内。

世界上第一个高放废物深岩硐处置库，原拟于2010年在美国尤卡山建成并投入运行。

但因种种原因，目前处置库仍未建成。

欧盟、瑞典、日本也制定了国家层次的研发计划，相关工作正在实施推进中。

在此之前，世界各国均无高放废物正式处置活动，一些国家的已固化高放废物均暂存在地面或地下废物库中。

高放废物处置是一个耗资大、周期长、对社会影响大、技术复杂的高科技工程项目，其研究已超越国界。

例如德国和丹麦联合研究在盐层中处置高放废物，比利时和意大利共同研究在粘土岩中处置高放废物，英国和法国共同研究在花岗岩中处置高放废物。

目前，各国家的研究也十分活跃。

瑞典是世界上研究核废物处置技术最积极的国家之一，计划将本国产生的低、中放废物处置斯堪的纳维亚结晶岩中。

瑞士在80年代初便详细拟定了各类核废物深部地质处置计划。

俄罗斯拟对高放核废物不锈钢容器进行钢筋混凝土外包装后，处置在深井中。

波兰从1982年开始研究将高放核废物处置在本国东部、北部二叠系岩盐中的可能性。

日本对高放核废物拟采用深海床处置和深岩硐处置方案，计划选用的深处置地质主岩为花岗岩、泥岩-页岩-砂岩层系；已在相应废矿井和一个花岗岩地下实验室中进行实验研究；对深海床处置海域已进行选址研究。

意大利拟采用深钻孔处置中、高放废物，处置地点初步选在普里奥波莱以东的塑性粘土层中；曾在西西里粘土岩中建造了一个地下实验室，以研究全规模深处置技术。

芬兰从1986年开始对乏燃料处置库址进行野外地质调查，计划到2000年确定一处作为正式建库库址；预计第一个高放废物处置库在2020年建成并投入使用。

德国的高放废物拟处置在戈勒本盐丘陵废盐矿处置库中，该处置库原来只处置低、中放废物，为了扩建成高放废物处置库，已于1986年进行勘探工作，于1995年开始建造，计划在2008年建成并投入运行。

丹麦是世界上最早试行深钻孔处置高放废物的国家之一，1982年便已对该研究计划进行论证。

阿根廷从70年代后期便开始研究高放废物处置技术，至1987年阿根廷已产生3000个高放废物容器，计划在花岗岩中建造第一个深岩硐处置库，现已在7个地区进行选址研究。

比利时莫尔粘土岩中地下试验室在完成试验任务后，将用于本国高放废物的地质处置。

加拿大待处置的高放废物为不予后处理的乏燃料，拟在安大略省花岗岩中建成处置库和地下室，此外也试图将核废料深埋在沉积岩里。

印度在片麻岩和花岗岩内确定了4个高放废物处置库址，建立了1个废矿井中的地下实验室。

深海床处置技术可能成为今后某些国家处置高放废物方法之一，从1973年起，美、英、法、日、加、荷、比、德等国联合制定了高放废物深海床处置研究计划，在太平洋、大西洋预选了若干海域，拟作为今后高放废物深海床处置场。

但是这一计划仅当这些国家提供的科学论证足以证明深海床处置对人类和海洋不造成严重影响时，才能准予付诸实施。

我国对高放废物拟采用深岩硐处置方案，花岗岩最可能成为我国第一个深处置库和第一个地下实验室的主岩。

目前已初步确定甘肃北山为高放废物处置库的重点预选区，并正在该区的旧井、野马泉和向阳山地段开展场址评价方法学研究，并已确定内蒙古高庙子钠基膨润土为处置库候选回填材料，其他工作也取得了一定的进展。

中国预计到2030年前后将建成自己的深地质核废料处置库。

第4章废物处置前沿热点

4．1深地层埋藏法

这种方法是先把核废料在高压下变成粉末,渗入焚化了的玻璃液中,冷却后成为玻璃块,把它埋入不渗水的结晶岩石或花岗岩中的地下井内,深达600米。

容器放入以后,周围用膨润土和特制的粘土回填固封。

这种方法,把放射性废物形成了四道屏蔽。

这种埋藏法保险可靠,不会对环境产生有害影响。

目前德国多采用玻璃固化并装入金属容器后深埋的方法。

高辐射核废料与玻璃熔化固化成半透明圆柱体，放入钢制容器中。

中低辐射核废料在高湿炉中焚烧，把灰烬与水泥浇灌在桶状容器内。

所有核废料最后用混凝土覆盖埋入地下。

4.2微生物处理

耐放射异常球菌能承受150万拉德的辐射,是其它生命形式的1000倍,它被用来清理核废料。

它健康的胃口使它在核废料场所成了可靠的清洁工,它吃进核废料,把核废料转变成更容易处理的衍生物。

科学家把这种耐放射异常球菌称为环境清洁细菌,它能清除核废料。

耐放射异常球菌这种能力可以承受恶劣的环境,如极度干旱和低温。

它独有的防御机制,帮助它战胜干旱和低温,在辐射的环境里保护自己。

这种耐放射异常球菌是在北极发现的,是那个地区为数很少的微生物生命形式,它已成为世界上稀有资源。

科学家们正在进一步研究它的基因结构,期望用生物基因工程技术对这种细菌的基因进行改造,使它能更耐辐射,为核废料无害化处理服务。

4.3深层熔融法

英国设菲尔德大学地球化学家弗格斯-吉布提出,应该进一步增加核废料封存的深度。

可以将废料封入4000米深的钻孔中,利用废料产生的热量熔化周围的岩石,核废料随辐射强度降低逐步冷却,最终和岩石一起固花成“坚固的花岗岩石棺”,从而封存任何易泄招的放射性物质。

吉布进一步指出,在地下4000米处流动的岩浆不会同地下700米处的地下水发生任何物理或化学反应，这意味着泄露的任何放射性物质不会返回地面。

吉布博士已经建立了一所实验室,并且在理论上已经证实了可以把高辐射的核废料安全地封藏起来,直到它们衰变到对环境无害的程度。

他的实验第一次揭示了在900℃的高温下,核废料能在几天内部分熔化其周围的岩石,然后在几个月内,熔化的岩石慢慢地冷却并再结晶,从而把核废料封闭起来。

4.4“土壤熔解”法

英国伦敦的Amec公司声称找到了这种处理放射性废料的有效方法，即在排列成行的大金属罐里将核废料与土壤（或其他“玻璃形成物”）混合在一起，其中20%是核废料，80%是土壤。

然后通过两端的石墨电极以3000摄氏度的高温对混合物进行加热。

加热后排出的气体另行处理，主要是二氧化碳和碳氢化合物。

最后将熔化的物质冷却，形成比混凝土还要硬的大玻璃块。

新方法的玻璃化废料能保存一个“地质时代”，其中所有的放射性颗粒“在玻璃钢全部腐蚀消失前已衰变为无辐射的元素或化合物”。

4．5盐穴深埋处理

目前认为有效的处理方式是深部埋藏处理,利用盐穴进行核废料的深埋处理是一种较为安全的方法。

盐穴就是在地下盐层中通过钻井,利用水循环的方法,将盐层溶解,最终形成一个体积较大的空洞。

利用地下盐穴可以进行各种工业废料的埋藏处理,特别是对具有放射性污染的核废料。

建设埋藏放射性核废料的盐穴需要选择地质条件好,具有良好封闭性的盐层中,造穴方式主要是通过水溶洗盐形成地下溶洞。

一般来说,由于地下盐穴埋深大、盐穴封闭性好,具有较高的安全性。

利用盐穴进行核废料的埋藏具有费用低、容量大、占地少、安全性高等优点,是一种可以推广应用的核废料处理新方法。

1-套管2-中间悬挂管3-非溶剂层4-盐穴建造过程中间形态5-盐穴最终形态6-中心悬挂管

图4-1盐穴造腔过程示意图

1-已装箱核废料2-运载罐3-集装罐4-密闭槽5-滤清器6-通风机7-起重机8-井9-盐穴

图4-2核废料在盐穴中埋藏过程示意图