甘肃北山预选区地质处置系统初步FEPs分析

刘 帅， 王 驹， 刘晓东， 陈伟明

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029;2.东华理工大学，江西 抚州 344000)

甘肃北山预选区地质处置系统初步FEPs分析

刘 帅1，2， 王 驹1， 刘晓东2， 陈伟明1

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029;2.东华理工大学，江西 抚州 344000)

特征、事件和过程(简称FEPs)分析是高放废物地质处置性能评价中的一个至关重要的步骤，基于瑞典SKB FEPs数据库，论文利用特征、事件和过程分析方法，结合我国甘肃北山地区实际情况，修正、排除和增加了FEPs，列举了适合于北山高放废物处置库系统的FEPs，对我国高放废物处置系统性能评价具有重要参考意义。

高放废物处置系统;性能评价;特征、事件和过程(FEPs);FEPs分析

刘帅，王驹，刘晓东，等.2012.甘肃北山预选区地质处置系统初步FEPs分析［J］.东华理工大学学报：自然科学版，35(3)：256-262.

Liu Shuai，Wang Ju，Liu Xiao-dong，et al.2012.Preliminary FEPs analysis for high-level radioactive waste disposal system in Beishan，Gansu province［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：256-262.

为了满足我国经济快速发展和减轻全球气候变暖的影响，我国制定了一系列发展核电的宏伟计划。但是，随着我国大量核电站建成运行，摆在人们面前的难题是如何处置产生的大量高放废物。随着人类对放射性及其废物的深入认识，处置方式由陆地简单浅埋及海洋处置方式，转变为较为理想的深部地质处置方式。

高放废物地质处置系统能否保持长期有效安全运行，对处置库系统进行相关性能评价十分必要。高放废物处置系统性能评价目的是为了正确预测放射性废物处置库长时间的有效性，确保放射性废物处置的长期安全性(王驹等，2004;罗嗣海等，2007;Zhou et al.，2007)。

高放废物地质处置系统性能评价的方法较多，但目前较为广泛采用的是情景分析也就是通过分析处置系统的特征(Features)及影响系统演变、演化的各种事件(Events)和过程(Processes)来识别、确定未来处置库可能的演化过程，简称为FEPs分析。

目前，在高放废物处置系统的安全与性能评价方面，国际上大部分国家均采用特征、过程和事件分析方法(李金轩等，2004)。特征是指潜在影响处置系统性能的对象、构成和环境;事件是指潜在影响处置系统性能并且在相对较短时间内发生的自然或人为现象;过程是指潜在影响处置系统性能在整个处置库运行期间通常出现的自然和人为现象。

世界核发达国家如美国、瑞典等采用此方法进行了大量的研究工作，建立了各自的FEPs数据库。虽然我国在甘肃北山地区开展了一系列高放废物处置的研究工作，但通过分析影响处置库系统的特征、事件和过程进行处置系统性能评价工作尚属首次。

1 FEPs分析流程

高放废物地质处置库系统性能评价工作十分复杂，影响处置库系统长期安全稳定的FEPs各种各样，处置库系统封闭情况下不同时间跨度的不同情景，不同FEPs的选择都将给处置库系统性能评价带来不同的研究结果。FEPs筛选组合、情景的选择等都是FEPs分析的重要步骤。因此，FEPs分析流程如图1所示。

图1 FEP分析流程Fig.1 Flow chart of FEP analysis

2 我国高放废物处置预选场址选址背景与概念设计

甘肃北山作为预选场址是目前研究较多的地区之一。北山位于我国西北甘肃境内，海拔高度为1 600～1 800 m，地处沙漠戈壁，降雨小，蒸发量大，严重缺乏水资源，经济发展滞后，地质情况良好，地壳远离板块构造，有非常好的稳定性。围岩主要为花岗岩(王驹等，2006)，空隙小，渗透性差，有较低的热传导性和较低的线性热传导系数。该区地下水流动区上部岩石主要特点是低渗透性，低流速。伴随超过上千年的循环时间，北山区的地下水可以说是停滞的。所有这些因素组成了高放废物处置和存储的有利环境。为此，我国选择甘肃北山作为高放废物地质处置的首选场所(王驹等，2000;金远新等，2004)。

我国甘肃北山高放废物处置库系统引用瑞典KBS-3设计，围岩类型为花岗岩，废物形式为玻璃固化体，处置库拟建在地下500 m左右的饱水带中，废物罐体与花岗岩(郭永海等，2003)间以膨润土作为缓冲回填材料，概念设计模式如图2所示。

图2 北山高放废物地质处置库概念设计示意图Fig.2 The conceptual design for Beishan HLW repository

3 甘肃北山预选区高放废物地质处置系统的FEPs分析

目前，国际上公开的较为著名的FEPs分类中，有美国NEA FEP数据库(杨天笑等，2004;郭永海等，2004)和瑞典 SKB FEP数据库(郭永海等，2003;周文斌等，2004)，由于在甘肃北山处置库系统概念设计上与瑞典高放废物处置库概念设计十分相似，瑞典SKB数据库比较适合我国甘肃北山高放废物处置库系统。因此，甘肃北山高放废物地质处置库系统采用SKB FEP数据库(周文斌等，2004;SKB，2006a，2006b;NEA，1992，2000)进行初步FEPs分析。

FEP数据库涉及上千种背景下的影响因素，作为系统初步分析，瑞典的 SR-CAN FEPs(NEA，2000)几乎包含了我国甘肃北山处置库系统分析涉及的所有FEPs。但是在性能评价中并不是所有的FEPs都包含在内，在选用过程仍要根据处置系统概念内容不断进行修正和排除。

处置库系统的情景可以分为基本情景和不确定情景。基本情景是FEP分析的基础和出发点，基本FEP分析时一般假设以下情况:

(1)处置系统的地质环境保持稳定;(2)工程屏障(EBS)不发生任何不能预测的失效;(3)地表环境条件特别是气候和地表水系在预报的时间内保持不变;(4)处置系统不受未来人类活动的影响。

不确定FEP分析主要考虑:(1)自然现象，包括地震、断裂活动、火山活动、地面升降、侵蚀及气候和海平面变化等;(2)工程屏障体系的原始缺陷，如玻璃固化体的非均质性引起核素的选择性溶滤、缓冲材料质量等问题;(3)未来人类活动，主要考虑未来人类对地下资源的开发和利用。

3.1 初始状态的FEPs

SR-Can在表1列举了所有初始状态下的FEPs，根据我国甘肃北山高放废物地质处置系统设计理念，所有的FEPs都应包括，无一排除。

表1 初始状态FEPsTable 1 The initial state FEPs

3.2 处置过程FEPs

处置过程FEPs与废弃物和金属容器罐相关。由于SR-CAN与我国高放废物处置系统废物形态不同，SR-CAN FEPs涉及到的乏燃料与场址初步分析是不相关的。因此，通过对SAR-CAN FEPs的修正，北山废物和金属容器罐在处置过程中所涉及到的相关FEPs如表2。

表2 燃料/金属容器罐的FEPsTalbe 2 Fuel/canister FEPs

甘肃北山高放废物系统容器没有用到铸铁垫，因此，FEPs排除了这一参数。所有包括的FEPs应用于钢制容器。表3列举了适于甘肃预选场的所有FEPs。

表3 铸铁垫和铜容器的FEPsTable 3 Iron insert and cooper canister FEPs

我国北山高放废物处置系统处置概念上是用膨润土作为围岩与废物包体间的缓冲材料，表4列举了所有缓冲材料FEPs。

表4 缓冲材料的FEPsTable 4 Buffer FEPs

回填材料在处置库系统关闭前处置孔或处置坑道空隙的密封十分必要，它可以防止快速水流和放射性核素的迁移。

表5 与废物存放孔和隧道内回填材料相关的FEPsTable 5 FEPs related to backfills in deposition of hole and tunnel

续表

甘肃北山预选场址围岩主要类型为花岗岩，与花岗岩相关的FEPs如表6所列。

表6 岩石圈FEPsTable 6 Geosphere FEPs

续表

3.4 可变FEPs

可变的FEPs是处置系统组成部分的状态演化过程中必须进行描述的变量，如乏燃料、容器罐、缓冲材料、回填材料和岩石圈随时间的变化等。这些FEPs既和系统组成初始状态有关，又和正在进行的处置结果相关。表7列举了与乏燃料和容器相关的可变FEPs，缓冲和回填材料相关的可变FEPs如表8，表9列举了与岩石圈相关的可变FEPs。

表7 泛燃料和容器的可变FEPsTable 7 Fuel and canister variable FEPs

表8 缓冲和回填材料的可变FEPsTable 8 Buffer and backfill variable FEPs

续表

表9 岩石圈可变FEPsTable 9 Geosphere variable FEPs

3.5 生物圈FEPs

SR-Can暂定的生物圈FEPs(周文斌等，2004)在北山处置系统FEP初步分析中被采纳，但同时根据我国甘肃北山的现实情况对此进行了修正，修正后的FEPs如表10。

表10 生物圈FEPsTable 10 Biosphere FEPs

3.6 外部环境FEPs

外部环境FEPs虽然不是系统正常演化的一部分，但它影响系统的评价。这部分FEPs包括气候体系，大规模的地质演进和未来人类的活动(FHA)。表11列举了适用于北山预选场外部环境的FEPs。

表11 外部气候环境的FEPsTable 11 Climate external FEPs

对于所涉及大规模地质演进的FEPs，一个是地壳的机械力学演化，另一个是地震，如表12。尽管目前对人类活动有所限制，但未来人类活动必须仔细核查。因此表12涉及了所有的FEPs。

表12 规模地质演进的FEPsTable12 Large-scale geological development FEPs

尽管人类活动现在已经受到一定限制，但未来人类活动必须充分考虑在内。未来人类活动的FEPs如表13。

表13 未来人类活动的FEPsTable13 FHA FEPs

4 结论

FEP分析在核废物地质处置系统性能评价中是至关重要的。一个成功的FEP分析是基于所有可能因素的细致和综合的考虑，这需要大量的时间和劳动。性能评价系统过程中FEP初步分析是第一步，从而为甘肃北山场址预选提供重要基础。FEP初步分析也同样说明了我国甘肃北山废物处置项目所遵循的国际标准。

在上述分析的基础上可以进行FEP分析的反复操作。作为质量保证，本文提供了进一步性能评价选择FEP的来源和基本原理。

郭永海，刘淑芬，吕川河.2003.高放废物处置系统地下水同位素特征［J］.地球学报，24(6):525-528.

郭永海，苏锐，刘淑芬，等.2004.甘肃北山高放废物深部处置预选场址区域水文地质条件分析［M］//王驹.中国高放废物地质处置十年进展(1991-2000).北京:原子能出版社.

金远新，王文广，陈璋如.2004.中国高放废物处置库围岩岩石类型的选择［M］//王驹.中国高放废物地质处置十年进展(1991-2000).北京:原子能出版社.

李金轩，钱七虎，罗嗣海，等.2004.高放废物地质处置系统安全评价及其指标［J］.岩石力学与工程学报，23(7):1193-1197.

罗嗣海，钱七虎，王驹.2007.高放废物地质处置库的特点及其结构型式［J］.地质科技情报，26(5):88-90.

王驹，徐国庆，金远新，等.2000.中国高放废物处置库场址预选甘肃北山地区区域稳定性研究［M］.北京:地质出版社.

王驹，徐国庆，金远新.2006.论高放废物地质处置库围岩［J］.世界核地质科学，23(4):222-231.

王驹，郑华玲，徐国庆，等.2004.中国高放废物地质处置十年进展(1991-2000)［M］.北京:原子能出版社.

杨天笑，郭永海.2004.中国高放废物处置库北山预选区地下水化学特征研究［M］//王驹.中国高放废物地质处置十年进展(1991-2000).北京:原子能出版社.

周文斌，张展适.2004.北山地区地下水与花岗岩及玻璃固化体相互作用的模拟研究［M］//王驹.中国高放废物地质处置十年进展(1991-2000).北京:原子能出版社.

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Preliminary FEPs Analysis for High-level Radioactive Waste Disposal System in Beishan，Gansu Province

LIU Shuai1，2， WANG Ju1， LIU Xiao-dong2， CHEN Wei-ming1
(1.Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China;2.East China Institute of Technology，Fuzhou，JX 344000，China)

Features，events and processes(FEPs)analysis is an important and first step for the PA of high-level radioactive waste disposal system.Based on the SKB FEPs database and cooperated the actual conditions of Beishan，Gansu province，modified，excluded and added the FEPs by using features，events and processes analysis methodology，and list all of the FEPs which can be fit to high-level radioactive waste disposal system of Beishan.It is provided an important reference for the high-level radioactive waste disposal system of Beishan in China.

high-level radioactive waste disposal system;performance assessment;features，events and processes(FEPs);FEPs analysis

X771

A

1674-3504(2012)03-0256-07

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.009

2011-11-16 责任编辑:吴志猛

国家自然科学基金“孔隙-裂隙双重介质核素迁移模型及其参数反演”(41001320);国防科工局高放废物地质处置项目“高放废物地质处置库围岩-粘土岩预选场址调查研究”。

刘 帅(1978—)，男，副教授，博士生，主要从事高放废物地质处置性能评价工作。