关于地下实验室分类的讨论

徐国庆

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

关于地下实验室分类的讨论

徐国庆

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

论述了现有的地下实验室的分类，对普通地下实验室与特定场址地下实验室的主要特征进行了对比分析，论述了各国地下实验室的研究概况，对特定场址地下实验室的概念进行了讨论。鉴于在现行的地下实验室分类中，对特定场址地下实验室的定义似乎界定过宽，因为有些该类型的地下实验室，缺乏明确的历史定位，最终没有起到特定场址地下实验室应起的作用。笔者建议，只有建在经本国政府批准的最终处置库场址上的地下实验室，才可称作为特定场址地下实验室，如美国的WIPP和ESF以及芬兰的ONKALO。因为只有这类地下实验室，才能真正起到论证处置库场址适宜性和高放废物处置方案可行性的作用。

核废物地质处置；地下实验室；普通地下实验室；特定场址地下实验室

1 地下实验室分类

地下实验室一词，是地下研究（或岩石）实验室（Underground Research（or Rock）Laboratory，URL）的简称，它并非仅见于核废物地质处置领域，它同时也广泛见于矿业开采、石油和CO2储存，以及与现代科学（特别是粒子加速器）和工程实验等有关的各领域［1-3］。不过本文仅讨论与核废物地质处置有关的地下实验室。

何谓地下实验室？简言之，地下实验室就是模拟处置库条件而建造的地下实验研究设施，其目的是论证处置库场址的适宜性和高放废物处置方案的可行性。

笔者在20世纪80年代曾根据不同的分类原则对地下实验室进行过分类［4］，其中有一个分类是按地下实验室与处置库关系分为单纯做实验研究用的地下实验下室 （如Lac du Bonnet、Stripa等）和以后可直接发展成为处置库的地下实验室，如德国的Gorleben（这是20世纪80年代的安排，以后这种安排发生变化），后来有人把前者称为普通地下实验室（Generic underground research laboratory）， 后者称为特定场址地下实验室（Site specific underground research laboratory）。

按IAEA表述［5］， “普通地下实验室是建于或开发于不考虑作为放射性废物处置的预选场址的地方”。它可以建在：

（1）已有地下设施中，例如矿山（如Stripa、Asse、 Amélie、 Tono、 Kamaishi和 Fanay）和铁路、 堤坝以及公路的隧道中 （如GTS、Tournemire、研究坑道、G-坑道、Climax和Mont-Terri URL）；

（2） 新开发的场址上 （如 Äspö HRL和Lac du Bonnet URL）。

按OECD/NEA表 述［6］： 普 通 地 下实验室为 “在不用作废物处置的场址上开发的旨在研究和实验的设施，但可为它处提供支持处置的信息”。

这两个国际组织对普通地下实验室的定义总体上是一致的，即普通地下实验室是建在今后不作为处置库场址上的地下实验室。

按IAEA表述［5］， “特定场址地下实验室被定义为位于深部处置库系统的特定 （但不一定是预选的）场址，同时考虑到预选围岩建造情况 （如 HADES-URF、Gorleben、 Konrad、Yucca Mountain-ESF 和 Bure URL）”。

按OECD/NEA 表 述［6］： 特 定 场 址 地下实验室是 “建于作为废物处置预选址上的设施，其实它可能是场址上处置库开发的先驱部分”。

由上可见，所谓普通地下实验室，就是不建在预选场址（Potential site）上的地下实验室，而建在预选场址上或最终场址上的地下实验室皆称为特定场址地下实验室。

虽然普通地下实验室的选址工作具有很大的机动性和灵活性，但它也不是任意选定的，下列条件在普通地下实验室选址时也应考虑：

（1）所选场址与所设想的处置库场址在地质条件上具有类比性，特别在岩性上具有类比性。如瑞典的Äspö地下实验室和加拿大的Lac du Bonnet地下实验室都建在花岗岩中，因为这两个国家都把花岗岩选定为处置库围岩。

（2）所选场址与所设想的处置库场址在自然环境方面具有相似性，特别在地貌和气候方面。因为前者影响地下实验室入口工程的选择（无论是平巷、斜坡坑道，还是竖井），后者影响地区的水文地质条件和风化壳发育的类型及其深度。

（3）尽量设在核研究中心附近，这样便于工作和节省投资。如加拿大的Lac du Bonnet和比利时的HADES地下实验室，它们的地下实验室紧邻其地面实验室。

（4）有较好的交通、水电和生活保障条件，否则这些要另行投资建设。

普通地下实验室在发展过程中具有下列特点：

（1）早期地下实验室研究多利用旧工程，如旧矿山、已有隧道，这样投资少、易起步，如美国、德国、日本、瑞典和瑞士等。但随后发现利用旧工程有它的局限性（如工程破坏了原始的地质环境），因此，后建的地下实验室多是新开挖的，如瑞典的Äspö，日本的Mizunami和Honorobe等。

（2）从单一的实验到综合性多项实验。早期开展的地下实验室实验方法较单一，都是进行加热试验，如1965年美国和德国当时所做的那样。但20世纪70年代以后，实验内容逐步增多，以满足处置库系统性能评价收集各类参数之所需。

（3）实验规模越来越大。早期实验大都局限于地下工程的某一部分，而现代不少实验则扩大至整个坑道，进行全断面的1∶1试验。

人们认识到，普通地下实验室有自己的历史定位，它多在高放废物地质处置研发计划早期的处置库场址的预选阶段进行，而特定场址地下实验室则是在高放废物地质处置研发计划后期在确定处置库预选场址或最终场址后进行。如果说特定场址地下实验室的研发工作是处置库建造、运行和封闭工作的预演，那么也可以说，普通地下实验室的研发工作，是特定场址地下实验室研发工作的预演，前者为后者积累经验，以加速后者研发工作的顺利进行。

表1为普通地下实验室与特定场址地下实验室的主要特点对比。

2 各国地下实验室简介

高放废物地质处置的研发工作始于1957年［7］，而地下实验室的研发工作始于 1965年［8］，这说明地下实验室的研发工作至今已有45年历史，积累了不少理论和实践经验，IAEA和OECD/NEA曾多次召开专家咨询会总结这方面的经验，以指导今后地下实验室研发工作的进行［6-7］。表2所列42个地下实验室资料，主要来自文献［5-7］，部分来自网上资料。这些地下实验室有的在建，有的正在运行，有的已经关闭，也有的只开展场址研究工作，而最后未建成。

1999年Andersson曾统计过，一个地下实验室的建造成本需耗资1亿欧元左右［6］。国内也有人估算过，建造一个地下实验室约需5.2亿人民币（未含运行维修费）［9］。 但不明确的是，在这些估算中是否包括地下实验室研发所需的各种仪器设备的购置费和运行所需的各种设备购置费？是否包括场址外围水电和交通配套设施的费用？如果未考虑这些，再加上运行和维修费，则所需资金要远大于此数，所以在决策建造地下实验室问题时需慎重。

表1 普通地下实验室与特定场址地下实验室的主要特点对比Table 1 Comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories

3 关于地下实验室分类的讨论

现在国内即将开展新一轮地下实验室选址工作，现就特定场址地下实验室定义问题进行一些讨论，以供业界参考。

按IAEA分类，属于特定地下实验室的有：HADES、 Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、

ESF、WIPP 和 RCF［5］；而按 OECD/NEA 分类，属于特定场址地下实验室的有：ONKALO、Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、 佩 奇（Pécs）、 WIPP 和 ESF［6］。 IAEA 未 把OECD/NEA分类中的ONKALO和佩奇列入其中，OECD/NEA则未把IAEA分类中的HADES和RCF列入其中，这说明两个国际组织在对待特定场址地下实验室的认识上还是有些不同。

表2 地下实验室一览表［5-7］Table 2 List of underground research laboratories［5-7］

续表2

续表2

按照IAEA特定场址地下实验室的定义，可以理解为一个国家可有多个特定场址地下实验室，因为处置库最终场址是经过几个预选场址对比研究后确定的。这样，有些原建在预选场地上的特定场址地下实验室，由于对比研究后不被批准为正式场址，因而就起不到特定场址地下实验室应有的作用，而有“蜕变”为普通地下实验室的可能。当然，也有这样一种可能，那就是现在的普通地下实验室，其所建场地也有可能经过以后对比研究后，被确认为正式场址，如果是这样，则原来的普通地下实验室有可能被 “升级”为特定场址地下实验室。因此，IAEA这个特定场址地下实验室定义，对有些特定场址地下实验室来说，具有历史地位上的不确定性，它们不能完成特定场址地下实验室所赋予的特殊历史使命。如英国的塞拉菲尔德（1997年已终止场址特性评价工作，表2）和德国的Gorleben（它于1977被选定为高放废物处置库场址，后因政治原因，于2001年终止工作，至今它能否作为处置库场址，仍在争论之中）等就是这类例证。因此，这种普通地下实验室与特定场址地下实验室的概念，在某种程度上，具有相对性。按IAEA的地下实验室分类原则，属特定场址的地下实验室为数也不少，但实际上真正能起到特定场址地下实验室作用的，目前就笔者所知只有3个：①美国的WIPP（军用超铀废物和混合超铀废物处置库，有8个处置单元，其中第一个处置单元就是特定场址地下实验室，该处置库已于1999年3月26日开始运行）；②ESF（地处尤卡山，该地于2002年被政府批准为处置库正式场址，计划在2018年建成，但在2009年美国联邦预算提案中并未向该场址拨款，只给了核管会（NRC）有关申请处置库建造的一些调查费）；③芬兰的ONKALO（芬兰政府于2001年确定Olkiluoto为处置库场址，并计划在2020建成处置库）。因为除上述3个场址和瑞典正在待政府审批的Forsmark场址①外，其他各国的处置库场址至今尚未被政府所确认，包括比利时的Mol地区。因此，有些现在界定的特定场址地下实验室，以后是否还会“蜕变”成普通地下实验室或引起其他什么别的变化，这在目前尚难定论。因为处置库选址问题，不仅取决于自然因素，同时还受社会因素和政治因素所制约。如OECD/NEA 2001年认为世界上第一个特定场址地下实验室的德国Konrad，现在的处境与Gorleben相似。因此，笔者认为，只有建在经政府批准的处置库最终场址上的地下实验室，才是真正的特定场址地下实验室，也只有这种地下实验室，才有可能起到确认最终处置库场址和论证高放废物处置方案可行性的作用，才能提供处置库设计、建造和运行等所需的和近乎处置库现场实际的各类资料。

地下实验室研究至今已有45 a历史，积累了丰富的经验，它是高放废物地质处置研发过程中必不可少的一个重要研发阶段。如果没有这个阶段，处置库场址就无法被最终确认，后续的处置库建造也就无法进行。普通地下实验室与特定场址地下实验室具有不同的历史定位和不同的历史使命。何时开展何种类型地下实验室研发工作，应根据各国高放废物地质处置研发的进展情况而定，同时，由于建造地下实验室投资较大，因此也需要国家有足够的资金来支撑。

注：①2009年6月SKB已正式宣布它为推荐场址，2010年向瑞典辐射安全机构和环境法院提交环境评价报告和安全分析报告，拟申请建造处置库许可证，SKB准备于2013年建造地下实验室，2015年开始建造处置库，2023年处置库运行。

［1］Bettini A.Underground laboratories［J/OL］.J.Phys.:Conf.ser.， 2008，120:082001.［2010-05-10］.http://iopscience.iop.org/1742-6596/120/8/082001/pdf/1742_6596_120_8-082001.pdf.

［2］Drek Elswoth， Peter Smeallie， Francois Heuze.Deep underground science and engineering laboratories（DUSELs）［R］. Alexandria： American Rock Mechanics Association，2003.

［3］Coccia E.Underground laboratories in Europe［J/OL］.J.Phys.： Conf.ser.， 2006， 39： 497-504.［2010-05-10］.http：//iopscience.iop.org/1742-6596/39/1/134/pdf/jpconf6_39_134.pdf.

［4］ 徐国庆，楼凤升.国外地下实验室情况调研和我国建立地下实验室必要性的初步探讨［R］.北京：核工业北京地质研究院，1986-1987：115-119.

［5］IAEA.The use of scientific and technical results from underground research laboratory investigations for the geological disposal of radioactive waste［R］.Vienna： InternationalAtomic Energy Agency，2001.IAEA-TECDOC-1243.

［6］OECD/NEA.The role of underground laboratories in nuclear waste disposalprogrammes［R］.Paris：Organization for Economic Co-operation and Development/Nuclear Energy Agency，2001.

［7］National Academy of Sciences/National Research Council.The disposal of radioactive waste on land.Publishing 519［R］. Washington， D C： DOE，1957：4.

［8］ 徐国庆.核废物的模拟处置库：地下实验室［J］.国外铀金地质（现名：世界核地质科学），1992（增刊）： 57-69.

［9］ 罗嗣海，杨春和，李廷君，等.处置工程与地下实验室（地下实验室部分）［C］//潘自强，钱七虎.高放废物地质处置战略研究 （中国工程咨询项目）.北京：原子能出版社，2009：231-268.

［10］徐国庆，李永利，梁秀珍，等.北京地区地下实验室场地预选［C］//王 驹，范显华，徐国庆，等.中国高放废物地质处置十年进展.北京：原子能出版社，2004:454-468.

［11］Faculty of Civil Engineering， Czech Technical University in Prague.Underground educational facility JOSEF［EB/OL］. ［2010-05-10］.http： //www.uef-josef.eu.

Discussion on classification of underground research laboratory

XU Guo-qing
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

The classification of underground research laboratory，a comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories，an overview of research on underground research laboratory，and a review of site specific underground research laboratory are given in this paper.It is noteworthy that the site specific underground research laboratory is probably not well-defined and hence some of them have no clear fixed historical position，and finally they do not play an important specific role for this kind of underground research laboratory.It is suggested that the site specific underground research laboratory may be defined as follows:it is constructed at the final repository site approved by the government， such as WIPP and ESF in U.S.A.， and ONKALO in Finland， because only this kind of underground research laboratory can really play an important role for validation of suitability of repository site and feasibility of disposal concept of high level radioactive waste.

geological disposal of radioactive waste； underground research laboratory； generic underground research laboratory；site specific underground research laboratory

A

1672-0636（2010）03-0170-08

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.010

2010-05-14

徐国庆（1932—），男，浙江舟山人，高级工程师（研究员级），主要从事铀矿地质包体及核废物处置研究工作。E-mail：xuguoqing@126.com