我国高放废物地质处置地下实验室安全问题探析

(生态环境部核与辐射安全中心,北京 100082)

地下实验室(Underground Experimental Facility)又称地下研究实验室(Underground Research Laboratory，URL),是为研究在与深部处置库相似地质条件下处置高水平放射性废物的可行性,而在某种预定岩石深处建造的地下模拟处置研究设施,地下实验室是高放废物地质处置可行性论证及实施中的关键步骤。2006年,原国防科学技术工业委员会、科学技术部和原国家环境保护总局联合下发《高放废物地质处置研究开发规划指南》,提出2020年前后,初步选出处置库场址,完成地下实验室建造的安全审评。国务院批复的《核安全与放射性废物污染防治“十三五”规划及2025远景目标》明确提出“十三五”期间开工建设高放废物地质处置地下实验室。然而,地下实验室作为位于地下500 m深度的地下科研设施,与其他类型地下工程相比,具有显著的差异性和复杂性,其环境影响和安全影响以及建设投资都较大。我国首次建设这类设施,在国家层面,缺乏地下实验室建设的技术标准、地下实验室的审评标准和程序等。

目前,地下实验室已经成为各国开展高放废物地质处置研究的必需和常规手段,北美、西欧和日韩等已建成了20多个地下实验室。地下实验室工程的建设与应用,有力推动高放废物地质处置技术的发展,从中获得的关键参数为处置库工程设计和安全评价提供了重要输入,地下实验室的运行经验也为未来处置库的运行提供了参考。各国对地下实验室的要求不一,但核与辐射安全监管部门都对其开展安全审查,具体审查形式取决于地下实验室的功能。本文根据我国地质处置地下实验室的功能定位,结合国外地下实验室的相关要求和实践,阐述了地下实验室安全审查需要重点关注的几个关键问题,并提出相关建议。

1 地下实验室的功能与分类

国际上,地下实验室的研究工作始于1965年。早期的地下实验室主要开展方法学研究,与处置库场址没有直接联系,通常称为一般型地下实验室(详见表1)。

根据地质处置工程验证和处置库建设的需要,出现了专门针对具体处置库场址特性研究的特定场址型地下实验室。它是在高放废物处置库预选场址上建造的地下设施,具有方法学研究和场址评价双重作用。从中所获的数据可直接用于处置库设计和安全评价。这种地下实验室在条件成熟时可直接改扩建成处置库。国际上的“特定场址型”地下实验室见表2。

根据我国地下工程建筑和审评技术要求,立足于为以后高放处置库评价提供关键参数,目前我国地下实验室应满足深部地质安全与环境评价、工程尺度试验验证、处置库开挖方法验证、高放废物处置工艺验证、公众沟通平台和后勤保障等六大功能。

表1 一般型地下实验室Table 1 Generic underground laboratories

表2 特定场址型地下实验室

2 国外地下实验室相关安全要求与审查实践

2.1 瑞典spö实验室

对于地下实验室的建设,SKB还须开展独立的环境影响评估,由环境部负责审查。环境影响评估主要涉及工程对噪声、水土和大气等一般性环境要素的影响。

2.2 芬兰

芬兰2001年开始建设的ONKALO实验室为特定场址地下实验室,是未来处置库的一部分,其主要作用是进一步验证处置库已经确定场址的适宜性。芬兰核与辐射安全局(STUK)将地下实验室作为核设施进行审查。2001年,政府颁发Decision-in-Principle(DiP),将处置库场址和地下实验室建造作为一体批准。STUK在其发布的放射性废物处置导则中，详细规定了地下实验室建造前需要批准的文件,包括地下实验室及其建设节点与方法的详细描述、地下实验室建造对处置库场址围岩所致潜在影响(尤其是长期安全方面)的描述、安全分级文件、建造期间质量管理报告、对预期放入其中的核材料就防止核武器扩散所做的安保计划、为利于STUK监管控制所做安排的描述等。

2003年2月,STUK就ONKALO的概念方案发布审查意见。STUK认为,进入通道不应位于意在处置的岩体之上,也不应位于其附近,这可以降低对处置库造成化学或力学干扰的可能性。另一方面,STUK还建议进入路径不应穿过自流裂隙区,或位于地下水排泄区。根据乏燃料处置的一般安全要求,地下实验室的设计和地下建造与调查方法必须以最佳方式保持对长期安全重要的围岩特征。由于预期对围岩的干扰大多数都来自水流状况的变化,将ONKALO的流入最小化是ONKALO设计的核心要求之一。实际上,这意味着需要避免高透过率的区域,这也正是STUK的建议。

2.3 美国

美国《核废物政策法》第2章对高水平放射性废物和乏燃料处置的研究、开发和验证做了详细规定，要求能源部制定一项关于高放废物和乏燃料处置研究与开发的任务计划(Mission Plan)，包括试验与评价设施的规划与建造。在法律颁布后的6个月内，能源部(DOE)在与核管会、环保署等机构协商后，颁布关于试验和评价设施选址的一般导则。应与受影响的州协商与合作，开展试验与评价设施的选址，并签署书面协议。在试验与评价设施挖掘与建造和利用放射性物质进行试验前，DOE应编制环境评价报告。

在法律颁布后的一年内，DOE应与核管理委员会(NRC)达成一项书面理解，为试验和评价设施的计划、建造和运行，制定评审、协商和协调程序。在DOE与NRC达成书面理解之前不得为试验和评价设施挖掘任何竖井。如果试验和评价设施不在处置库场址中，DOE应就该设施的去污和退役征得NRC同意。

在法律颁布后的一年内，DOE应向国会提交报告，说明是否计划将试验和评价设施建在在处置库场址。如果将试验和评价设施设置在候选场址或处置库场址，则应依照处置库选址和开发的程序和要求进行该设施的选址和开发。在NRC颁布处置库建造许可之前，DOE不得开工建造该试验和评价设施的任何地表设施。不得将试验和评价设施转变为处置库，除非该设施的选址和开发是按照处置库选址和开发程序和要求进行的。在指定候选场址或被推荐为处置库的场址生效前，DOE不得在该场址上建造试验和评价设施。

核管会对任务计划进行审议(SECY-84-17)后认为，在选定场址上建造试验与评价设施更有价值，所获信息有助于确认场址性能和优化处置库系统设计，有助于验证与处置库运行相关的技术。

2.4 法国

法国《放射性材料和放射性废物规划法》 要求建造深地质处置设施的许可申请，仅应针对已经在地下实验室得到验证的地质构造。而在位于深地质构造中的地下研究实验室或深地质处置库中开展试验前，均应根据1892年颁布的因公共活动而造成财产损坏的法律细则开展初步研究。针对每个地下实验室，均应成立一个地方性信息和监察委员会，该委员会应获得以下资料：地下实验室计划的目标、所开展的工作性质以及获得的成果。

根据法律要求，应从研究处置或贮存高放废物的适宜性角度出发，制定地下研究实验室的实施细则。根据实施细则，在开展所有涉及地下实验室项目的初步研究工作前，应向主管部门和相关场址周围居民进行咨询。

根据相关细则要求，在完成影响评价、征得相关当局和地方委员会意见、举办公众听证会后，应根据国家颁布的许可证，运行地下研究设施。上述许可证应附有详细的技术规范。许可证中还包括保护性区域。从技术角度考虑，行政部门可以禁止发生在该区域内可能危及设施完整性或地下实验室运行的相关作业或活动。不得在实验室贮存或处置任何放射性废物。仅作为试验为目的，放射源才可临时用于上述地下实验室。

2.5 启示与借鉴

从国际上看,地下实验室的建造均需要安全审查,但安全审查的形式和详细程度不一,主要取决于地下实验室的功能定位。

对于一般地下实验室,作为与高放废物处置相关研发计划的一部分进行审查,如瑞典、美国等。

对于处置场址或候选场址上的地下实验室,通常作为处置设施的一部分,采用与核设施相同的安全监管与审查方式,如芬兰、法国等。

安全审查涵盖主要包括以下内容：

1)地下实验室的目的、建造方法和建设内容;

2)地下实验室所开展的试验及其与地质处置库安全分析之间的关系;

3)若在处置库场址或候选场址上建造,须分析地下实验室对处置库场址的影响;

4)地下实验室自身的安全影响,包括工程安全和设备安全等。

3 地下实验室安全的几个重要问题

3.1 安全关注的范围

从前述分析看,对地下实验室安全的关注范围和程度取决于其功能定位。根据我国地下实验室工程研发相关规划,我国高放废物地质处置地下实验室是为高放废物地质处置技术研究开发服务的试验平台,既不同于普通的地下工程,又不同于核设施。其主要作用是：研发处置技术、获取场址特性数据、验证工程屏障性能,为安全评价和环境影响评价提供输入数据,为处置库项目审批提供支持。地下实验室的选址考虑未来作为处置库场址的可能性。因此,我国地下实验室安全审查的关注范围应随着地下实验室项目的进展情况逐步变化。建造之前主要从地下实验室试验结果作为地质处置库安全评价的输入角度,审查试验的设置和实施计划等。若根据现场试验的结果,地下实验室场址有转化为处置场址的可能,应重点关注地下实验室的建造对未来处置场址围岩安全特性的影响。

3.2 试验计划

应从地下实验室试验项目及其结果在安全全过程系统分析中的作用角度,详细阐述在地下实验室所开展的试验项目及其目的和实施计划,分析试验项目与地下实验室的功能定位之间的关系。

从安全分析角度,试验项目设置是否充分和完备、试验过程的质量控制程序是否完善、措施是否适当等是安全审查应关注的重点。

从环境影响评估角度,在地下实验室中所开展放射性试验的包络性源项是安全审查的一个重要依据和出发点。

3.3 场址及围岩安全特性

地下实验室的一个重要作用是为建立场址调查和特性评价提供技术和方法,为处置库场址特性评价和安全评价提供重要参数的数据输入等。因此,场址调查和特性评价等方面信息是安全审查的另一个重要关注点。应详细说明场址特性,包括围岩、地质、水文、地球化学等的调查与评价情况,并说明需要通过开展试验获得的场址特性信息。

应从长期安全角度,鉴别可能对未来处置库场址及围岩安全特性和功能造成影响的与地下实验室建造相关的特性、事件和过程,评价和论证其随时间的演变行为,包括对围岩地质、水文地质、地球化学等方面特性的影响。

应评估上述影响的程度,并说明为减少这种影响所采取的技术和管理措施。

3.4 安全全过程系统分析

应说明为实现试验的目的而设置的地下工程设施,以及为实验室运行设置的各类设施,描述各类设施的功能要求与建造目标。说明地下实验室的概念设计及其安全理念。说明地下实验室的设计基准、设计规格和系统布置等。

应将地下实验室的相关活动纳入高放废物地质处置安全全过程系统分析中,将地下实验室选址、建造和试验开展的相关文件作为安全全过程系统评价文件体系中的一部分。根据地下试验及其结果在安全全过程系统分析中的作用,分析和论证需要在地下实验室中开展验证和研究的处置系统各组成部分的关键特性、事件和过程,评价试验活动和计划的合理性与充分性。

应分析试验数据获取中的不确定性及其来源和分类,包括参数、模型和景象等,说明减少不确定性的管理方案。

3.5 工程安全

地下实验室是一项地下工程,应关注地下工程的安全风险,包括工程稳定性、人员防护等。应描述地下实验室建造和运行期间相关设备的特性及操作程序,评估建造和运行期间设备及其操作的安全性。

4 结论与建议

地下实验室是地质处置库场址和工程关键特性验证的重要手段。从处置库安全审查角度,需要跟踪了解地下实验室安全相关试验项目的设置与开展情况。同时,鉴于地下试验所得数据和结果可直接用于地质处置库安全评价与全过程系统分析,有必要了解和初步审查相关数据和结果的获取方法与技术,这也有利于安全监管的早期参与和审评能力的建立,最大化地保护环境与人员安全。应将地下实验室选址、建造、运行和试验设置、开展和结果等信息作为地质处置库安全全过程系统分析的一部分。地下实验室安全审查的重点为地下实验室建设的目的、规模、方案,包括建造、运行和关闭的时间节点等信息;地下实验室的试验计划及其与高放废物地质处置安全全过程系统分析之间的关系;地下实验室的建造对未来处置库场址及围岩安全特性的影响以及地下实验室自身的安全性。