某低中放废物处置场工艺设计与屏障特征

2013-03-06连国玺宋立权

世界核地质科学 2013年2期

连国玺，荣峰，宋立权

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄050021）

核电及其他核设施运行过程中产生的大量低中放废物的妥善处置已成为亟待解决的问题。目前，国外已建成并运行了数十座低中放废物的专用处置场，其中约80%的低中放废物采取近地表处置的方式［1］。我国已建成甘肃的西北处置场和广东的北龙处置场，并分区域规划建造5个低中水平放射性固体废物处置场［2］。

低中放废物处置场是利用天然屏障和工程屏障组合成的多重屏障体系，将废物与生物圈进行安全隔离，并确保处置的短寿命放射性核素衰减到无害化水平、长寿命放射性核素和其他有毒物质的释放量极低至可接受水平的设施，其安全性与天然屏障、工程屏障及处置工艺直接相关。华南某低中放废物处置场初步确定建于广东省境内，结合该处置场的设计实践，对处置场天然屏障的特点、处置工艺设计和采取的工程屏障进行分析和论述。

1 天然屏障

天然屏障是实现处置废物与生物圈隔离的基本屏障，与具有补偿功能的工程屏障共同保障处置废物的安全和稳定。由于多数工程屏障的寿命是有限的，故随着时间的推移，后期天然屏障处置将会起到决定性作用。天然屏障的效能主要取决于场址的特征，良好的场址条件是处置场长期安全稳定的首要因素，从国外运行经验来看，场址选择的不当已成为一些现有处置场不能达到设计目标的主要问题。因此，处置场优良场址的选择是整个放射性废物管理系统中最重要的决定性因素之一。处置设施场址的特征主要包括所在地的地形地貌、地质、地震、水文地质、气象、社会经济等因素。

1.1 地形地貌

场址所在地的地形地貌类型简单，主要为剥蚀丘陵和丘间洼地地貌，地势低缓，波状起伏，山体多呈垅状，沿NE向、近EW向展布。山体标高一般为220～260 m。场址区地形切割较浅，沟谷多呈 “U”型谷，坡度较缓，植被发育。

1.2 地质条件

场址区的地层和岩性较为简单。区域地层主要为第四系土层和燕山期侵入性花岗岩。第四系土层由淤泥质土、冲坡积层和坡残积层等组成，侵入式花岗岩主要由中粗粒花岗岩组成。岩体呈基岩状，岩性较为单一，均为花岗岩。场址区域内无断层及褶皱，仅在基岩出露区存在少量节理。

场址土层及风化层厚度大，分布较稳定，人工屏障基底大部分位于全风化、强风化花岗岩中，小部分位于中等风化花岗岩及第四系坡残积粉质黏土中，满足低中放废物处置场选址的要求。

1.3 地震条件

场址位于华南地震区的东南沿海地震带，从公元1372年至今，区域范围内共记录到破坏性地震（M≥4.7）23次，其中M4.7～M4.9级地震14次、M5.0～M5.9级地震8次、M6.0～M6.9级地震1次。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001）中的分区位置，场址地震基本烈度为Ⅵ度。场址近区域25 km范围没有晚更新世以来的活动断裂，没有历史破坏性地震记载。场址附近范围没有能动断层及现代小震记录，近场区亦无地震引起的基土液化、沉降、塌陷、泥石流和斜坡失稳等地质灾害的记录。场址区处于地壳稳定区，不存在影响废物处置安全的潜在地震地质灾害。

1.4 气象条件

场址位于南亚热带季风气候，年平均气温20.3℃，极端最低气温可达－5.3℃，少量年份出现降雪。该地区降雨量较大，年平均降雨量为2 172.4 mm，日最大降水量294.9 mm，最长连续降水日数34 d。年平均暴雨（日降水量≥50 mm）日数为9.67 d。

1951～2008年，场址区域约10万km2范围内，共发生龙卷风146次，平均每年出现约2.48次。龙卷风的地区分布差异大，珠江三角洲北部地区较多，场址所在内陆地区较少发生，本场址所在县域内尚无龙卷风记录。区域年平均大风日1.58 d，极大风速为27.8 m/s。

1.5 地表水及水文地质条件

1.5.1 地表水条件

场址所在地为丘陵地区，属于一级支流的源头山区，上游无来水，水力条件单一，场址四周仅受到场区边缘的坡水影响。区域内小河流比降较大，流域汇水面积约为1 km2，雨季山洪涨落快，区域内未发生过洪水灾害，场址周围亦无影响场址安全的水库。场址区域洪水的发生概率较小，地形和水文特征较好，不会对处置设施产生冲蚀和淹没影响。

1.5.2 水文地质条件

场址水文地质条件是影响处置工艺的重要因素，主要关注的问题包括地下水类型及埋藏条件、地下水渗流条件及介质的核素阻滞性能。

1.5.2.1 地下水类型及埋藏条件

场址地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、风化带裂隙孔隙水和基岩裂隙水三类，水文地质条件相对简单。本地区地下水水位标高为189.55～206.87 m，地下水埋深为3.8～26.9 m，水位埋深与地形标高的关系明显，高程越大，水位埋深亦越大。由于地下水均为潜水，埋深浅，地下水流量及水位与降水量的关系密切、动态变化大。

1.5.2.2 地下水渗流条件

地层中残坡积土层为弱透水，风化层为中等透水，微风化基岩裂隙水为弱透水，为相对隔水层。因此，从天然屏障的角度分析，即使有少量的渗水溢出，也不会向深层地下水迁移，渗水可在潜水层中迁移并在下游以泉的形式渗出，场址下游无重要水功能区。

1.5.2.3 介质的核素阻滞性能

核素在地下水中的迁移扩散过程易受到土壤介质的吸附，表现为核素的迁移速度远小于地下水流速的现象，称之为核素的阻滞。核素受阻滞的程度取决于核素本身的特征和土壤介质的特征，一般由分配系数表示。通过室内试验，测定出场址地层和回填土中土壤介质对各种常见核素的分配系数（表1）。从表1中数据可知：场址土壤对核素具有较强的吸附阻滞能力，4种土壤介质对低中放废物中常见5种核素的综合吸附能力为：粉质黏土＞黏土（回填土）＞全风化及强风化花岗岩＞微风化基岩。

综上所述，场址水文地质条件简单，地下水埋深较浅，土壤介质具有较低的渗透系数及较大的核素阻滞系数。

1.5.3 水化学特征及腐蚀性分析

场址所在地地下水和地表水水化学特征见表2，均属微硬、弱酸-中性-弱碱性的淡水。地下水中的侵蚀性CO2在强透水层中对混凝土结构具弱腐蚀性；地下水、地表水中HCO3-在强透水层中对混凝土结构具中等腐蚀性；局部地段地下水、地表水具酸弱性，在强透水层中对混凝土结构具弱腐蚀性，对结构中的钢筋具微腐蚀性，腐蚀介质为Cl-。

1.6 人口分布与社会经济

场址区人口较少。10 km半径范围内有行政村34个，人口总数5万余人，人口密度约为165人/km2；场址5 km半径范围内有行政村11个，人口1.5万余人，人口密度约为200 人/km2。

场址区域经济比较落后，工矿企业不发达、规模较小。场址区10 km半径范围内规模以上工矿企业仅有1个，区域内建有小水电40余个，各类小型工业企业50余个。

1.7 交通与电力

场址交通情况良好，目前已形成了国道、省道和县道等各级公路交通网，距离最近的国道10 km。处置场用电负荷为三级负荷，采用双回路10 kV电源供电，供电线路总长约7.5 km。

表1 核素在土壤中的分配系数Table 1 The distribution coefficients of nuclide in soil/（mL·g-1）

表2 场址水化学特征Table 2 The hydrochemistry characteristics of the site

1.8 小结

总体来看，本场址地处低山丘陵区，区域地质、地震等场址特征较好，不存在危害处置场安全的因素，场址位于经济欠发达地区，人口相对稀少，区域内交通、电力条件便利，可满足废物运输和处置的需要。但是在水文地质条件和气象条件等方面存在以下不利因素，在处置工艺及工程屏障设计时应加以研究和考虑。

（1）处置场所在地区降雨量丰沛，易受暴雨影响。因此，防洪和防止地表水渗入处置单元及相应的渗水收集处理系统应重点考虑。

（2）场址地区地下水埋深较浅，场区地下水随地表降水的变化而变化。

（3）处置场位于气候湿热多雨地区，植被繁茂。处置单元覆盖层的设计既要考虑有利于植被的生长，防止处置场覆盖层的侵蚀和水土流失，又要防止深根植物和穴居动物对处置单元顶盖的破坏。

2 处置工艺

处置工艺是放射性废物在处置场处置的方法及流程，科学合理的处置工艺是确保处置场安全稳定的另一重要因素。处置工艺包括处置方式和工艺流程，处置方式的选择与场址特征息息相关，处置工艺流程主要取决于处置方式、废物处置量和废物的特征。

2.1 设计原则及标准

2.1.1 设计原则

根据本处置场的特点，确定的主要设计原则如下：

（1）应符合国家法律、法规要求，并满足国家低中放选址、接收、废物包装及处置等的国家标准。

（2）废物处置对公众安全和健康的影响程度应控制在可接受水平，对后代造成的影响应不大于当代所能接受的水平。

（3）处置设施的长期安全稳定应尽量减少对经常主动维护的依赖。

（4）应保证设施性能长期的固有安全、有效及与场址特征的兼容性。

（5）处置设施的有效期为 300～500 a。在此期间，放射性废物处置设施的安全性应有保障。

（6）处置单元工程屏障可保持完整性的设计年限为100 a，覆盖层的稳定性设计年限为 300～500 a。

（7）应充分考虑场址特征，尤其对不利的场址特征应设置足够的工程屏障。

（8）场址地震基本烈度为VI度，处置单元的抗震设防类别为重点设防类；抗震措施按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强。

（9）防洪等级按200 a一遇设计，1 000 a一遇校核。

2.1.2 主要设计标准

（1）低、中水平放射性废物近地表处置设施的选址（HJ/T23-1998）。

（2）低、中水平放射性废物的浅地层处置规定（GB9132-88）。

（3）低、中水平放射性废物近地表处置设施设计规定—非岩洞型处置（EJ1109.1-2000）。

（4）放射性废物近地表处置的废物接收准则（GB16933-1997）。

（5）低、中水平放射性固体废物包装安全标准（GB12711-91）。

（6）低、中水平放射性废物固化体性能要求—水泥固化体GB14569.1-2011）。

（7）放射性废物体和废物包的特征鉴定（EJ1186-2005）。

（8）低、中水平放射性固体废物混凝土容器（EJ914-2000）。

（9）低、中水平放射性固体废物包装容器钢桶（EJ1042-1996）。

（10）建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223-2008）。

2.2 废物特征

2.2.1 废物种类

本处置场接受废物的来源主要为核电厂和核技术利用产生的低、中水平放射性废物，其中核电厂产生的废物占绝大部分，废物主要有4类（表3）。

2.2.2 废物形式和数量

核电厂产生的废物一般采用水泥固化或固定技术进行整备，最终废物货包为水泥桶和金属桶。处置场一期工程接受的主要废物货包类型为200 L金属桶、400 L金属桶和水泥桶（CⅠ、CⅡ、CⅢ、CⅣ）。其中，金属桶和水泥桶均按照EJ914-2000和EJ 1042-1996标准要求预制，包装容器均经过喷水试验、堆码试验、贯穿试验、自由下落试验等检测，满足低、中放废物处置的性能要求。废物在进入处置场前应满足如下要求：包装体表面必须清洁、无破损，并与废物卡片内容完全相符；废物包装体表面剂量率≤2 mSv/h，距其表面1 m处剂量率≤0.1 mSv/h；废物包装体表面污染水平 α＜0.4 Bq·cm-2， β＜4 Bq·cm-2。

表3 核电厂废物一览表Table 3 Radioactive wastes produced from NPP

废物产生量取决于本地区的核电发展规模，同时还与核电厂的反应堆类型、废物最小化水平和管理水平等因素相关，因此，无法做到精确地预测废物产生量。依据本地区核电发展规划，按照处置场一期运行至2050年估算，在此期间低、中放固体废物的产生量约为6万m3。

2.3 处置方式确定

国际通用的低、中放废物近地表处置方式有3种：地上、地下和半地下，各种处置方式的特点见表4。

表4 低、中放废物处置场通用处置方式［3］Table 4 General disposal methods for LLW ＆ MLW disposal facility［3］

低、中放废物处置场处置方式的选择主要取决于场址所在地区的水文地质条件，对于地下水埋深较浅的地区，不宜采用地下处置或半地下处置。根据场址特征，本区地下水水位埋深较浅，且水位受周围环境及降雨量的影响波动较大。因此，处置方式宜选用地上处置的方式，将处置场主体结构建于地下水水位线以上，以有效避免地下水对放射性废物的浸泡，处置方式见图1。

2.4 处置工艺流程

废物处置主要工艺流程见图2。

2.4.1 货包检查

专用汽车运来的废物货包首先进行完整性、表面剂量水平及实际废物和档案卡片的一致性检查，对检查合格的货包进行登记、接受，不合格的破损货包运至整备车间整备或返回货包产生单位。

2.4.2 处置

根据处置单元运行情况，对接受的废物货包进行处置。货包由厂区车辆运至处置区，用吊车将货包吊运至指定的处置单元，并根据设定好的堆码方式进行货包的堆码。废物运输车辆为改装的专用车辆，车厢上开口，车顶设置激光定位系统，运输车辆到达指定位置后，激光定位系统自动将车辆位置信息传输到控制室，控制室根据反馈的信息进行车辆定位及废物货包的精确定位、吊装。

2.4.3 充填

处置单元在吊装废物桶之前，首先在底部铺设一定厚度的碎石层和水泥砂浆，整平后开始码放废物桶，废物桶码放一层或数层后，利用水泥砂浆充填桶间空隙，称之为阶段性充填。待充填料干燥后，继续进行下一层的充填，直至处置单元容积填满为止。

2.4.4 封盖

处置单元装满废物桶并用水泥砂浆充填单元格所有空隙后，对处置单元进行封盖。封盖采用现浇钢筋混凝土盖板。封盖结束后在处置单元外表面涂刷防水涂料。

2.4.5 覆盖

所有处置单元充填完毕封盖后，进行全场覆盖。覆盖层上设防洪排水系统。

2.4.6 关闭

单元覆盖层全部施工完成后，处置场进入关闭程序。处置区四周设置地质基准点，建立永久性标志，并设置障碍物。

2.4.7 监护期

处置场的有效监护期为300～500 a，在此期间应做好如下工作：禁止在场区进行挖掘、钻探、居住、种植等活动；对处置场及周围环境进行不定期监测，包括对大气、地表水、地下水、动物、植物等进行监测；妥善保管、保存处置场所有文件记录，如运行前的选址报告、处置场的设计文件及图纸、环境影响评价报告、处置场操作规程、监护期管理计划、环境监测计划、检查和维护活动记录以及所有的监测记录；当废物的放射性比活度已降到低于豁免值时，经申请、评价和主管部门批准后，处置区可解除封闭，可开放，土地可以有条件地加以利用。

3 工程屏障

工程屏障是人工方式构筑的屏障，是天然屏障的补充，设计中应依据天然屏障的特点，采取相应的工程屏障，并使两者有机结合起来，共同保障处置场的安全稳定性及废物处置的总体安全。按照多重保障的原则，在工程屏障设计时重点考虑以下3种因素：处置建构筑物、渗析水收集系统、覆盖层。

3.1 处置建构筑物

处置场由若干个处置单元组成，处置单元是直接接受和包容放射性废物的建构筑物，是防止放射性固体废物与地表水、地下水接触的主要工程屏障。处置单元应优先座落于均一的、地质状况可预见且有利于处置系统稳定的天然地基上，单元底板距离最高地下水位应不小于2 m，同时应避开洪水、滑坡等地表活动频繁的地区。

根据处置单元的地基要求及场址可用的地域范围，设计中对处置单元的尺寸进行了大量的工程测算，在16～30 m范围内开展了处置单元的布置方案研究与设计，结合统筹学相关理论，以符合地质条件的场址范围内最大处置容积为目标进行了计算，最终确定处置单元的规格为25 m×25 m×8 m。处置场设计总容量为100万m3，其中一期处置场设计容量为10万m3，处置单元场区布置见图3。

处置单元底板、围护墙体及顶板均为现浇钢筋混凝土结构，采用强度等级C30以上的混凝土及合理的构造措施以满足耐久性及防渗要求。顶板形状为锥形，四周薄、中间厚。

3.2 渗析水收集系统

渗析水收集系统将进入到处置单元内的渗水通过工程措施排出，并收集到处理设施。处置场位于多雨地区，该系统的可靠性较为重要，设计中对渗析水管廊方案和管网方案进行了充分的研究和论证，最终确定管廊方案渗析水收集方式。

该系统由地下管廊、雨水管网、渗析水管网、渗析水监测系统构成（图4）。地下管廊为钢筋混凝土结构，为了防止处置单元地基的不均匀沉降，地下管廊建于相邻两列处置单元之间的通道下方，内设雨水和渗析水管道。处置单元底板设渗水孔，并与管廊中的雨水管网或渗析水收集管相连。在废物处置前渗水孔与雨水管网连接，用于排出处置单元中的雨水，处置期和处置后渗水孔与渗析水收集管连接，用于排出渗析水。在渗水孔与管网连接前段设置渗析水取样、监测系统，用于对渗析水量及水中放射性核素的取样监测。

为了保证渗水孔至管廊之间的渗水收集管道的长期有效性，管道材料选用耐久性好的不锈钢管，并在不锈钢管外围用黏土、卵石等天然材料砌筑天然管沟以实施保护，同时可作为管道受损后的渗水收集管道。

3.3 覆盖层

在处置场封场后对整个处置单元区进行整体覆盖，保证处置单元结构稳定及废物货包的安全。鉴于本地区降水量较大，为防止雨水渗入处置单元和有效地疏导渗流雨水，覆盖层设置了两层导水系统。同时，还设置了生物侵入屏障层用于防止深根植物对覆盖层的破坏。覆盖层总厚度5 m，构造示意见图5，各层的主要功能、材料及厚度见表5。

4 结语

低、中放废物处置场的建设与运行尚没有成熟的经验可供借鉴。根据华南某处置场设计实践，介绍了处置场地形地貌、地质、地震、气象、水文地质等影响处置场安全稳定的主要场址特征，并以此为基础，对处置场的处置方式和处置工艺、处置建构筑物、渗析水收集系统和覆盖层等工程屏障的设计理念和设计方案进行了分析和论述。从场址特征分析可知，地形地貌、地质、地震、地表水条件较好，水文地质条件和气象条件较为不利。结合天然屏障的特点，有针对性开展的处置工艺和工程屏障设计，弥补了天然屏障的不足，增强了处置场整体的安全稳定性。