夯实高放废物处置技术根基 保障核燃料循环产业可持续发展

北山地下实验室总设计师

核工业北京地质研究院副院长

国家原子能机构高放废物处置创新中心 主任 王 驹

高放废物，即高水平放射性废物，主要是指乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体；对实行“一次通过，即乏燃料直接处置”政策的国家，高放废物也包括乏燃料。高放废物是一种特殊的废物，含有镎、钚、镅、锝等放射性核素，具有放射性强、毒性大、半衰期长和发热等特点。它们一旦进入人类生存环境，危害极大，且难以消除。因而，高放废物安全处置是一个影响核能可持续发展、环境保护和子孙后代福祉的重大问题,也是一个科学、技术、工程和社会学的重大难题。

对高放废物进行安全处置的难度极大，其难点在于如何使高放废物在上万年甚至更长时间尺度与人类生存环境安全可靠地隔离、如何使公众相信能够保证高放废物处置的安全等。同时整个处置过程前人从未经历过，缺乏实际工程经验。

因此，对该类废物的处置是一项极其复杂的系统工程，它具有长期性、复杂性、艰巨性、综合性和探索性等特点。主要表现在研究开发难度大，安全评价期极长（国际上一般认定的安全评价期约为1 万年），研发周期长，研发投资较大，公众关注度高。

截至2022 年6 月，我国在运核电机组54 台（含高温气冷堆），在建及核准机组23 台，在运核电各项性能指标位于世界前列，在建核电规模世界第一。2021 年核电发电量占全国累计发电量的5.02%。在双碳目标的驱动下，我国核能发展重新进入快车道。据规划，到2030 年我国核电装机容量将达到1.1 亿千瓦，到2035 年将达到1.5 亿千瓦以上。

核能的发展，产生的乏燃料和高放废物，务必得到永久安全的处置。

国际高放废物处置有关进展

芬兰地下实验室和乏燃料处置库 3 维图

根据今年国际原子能机构出版的《乏燃料与放射性废物管理的现状和趋势》报告，世界上共卸出26.5 万吨（tHM）乏燃料，其中的12.7 万吨已经经过后处理（截至2016 年12 月的数据），已经产生3800 万立方米的放射性固体废物，其中3050 万立方米已经得到永久处置，另外，720 万立方米的固体废物仍在暂存，等待最终处置。在所有废物中，98%的属于低放和极低放废物，而98%的放射性则集中于高放废物和中放废物中。

高放废物安全处置问题已引起有关国际组织和国家的高度关注。

国际原子能机构成员国大会于1997 年通过了《乏燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约》，明确条约签字国安全处理处置乏燃料和放射性废物的责任。

各有核国家也均在国家层面上高度重视高放废物安全处置的工作。他们通过制定国家政策、颁布法律法规、成立专门执行机构、筹措专门经费、制定长期科技开发计划、建立专门的地下研究设施（地下实验室）和开展长期研究等方式，从政策、法规、机构、经费和科研等方面积极推进高放废物的安全处置。

国家层面高度重视、健全管理体制并成立执行机构、建立研发设施（地下实验室等）、投入重金开展研发是有核国家解决高放废物问题的最重要特点和关键举措。

高放废物安全处置的研究开发具有长期性的特点。需要进行长期的基础研究、技术开发和工程研究，方可实现安全处置的目标。芬兰于1976 年开始研究，到2022 年建成处置库第一批处置巷道，历经46 年，足见其工作的长期性。高放废物地质处置还具有成本较高、投资大、投资周期较长的特点。欧洲国家经过测算，每吨乏燃料处置的平均成本为66.3 万美元。

国外从1957 年开始高放废物安全处置研究，经过几十年的研究开发，瑞典、法国、芬兰等国家在高放废物（乏燃料）处置方面取得了重大进展。

芬兰于2001 年确定了高放废物（乏燃料）处置库的场址，并在场址上建造地下实验室ONKALO。2015 年芬兰政府颁发处置库建造许可证。2021 年开始建设处置库，开挖第一条处置巷道。到2022 年7 月，完成了首批五条处置巷道的开掘工作，并将于明年开始处置第一罐乏燃料（示范处置）。至此，芬兰将成为世界上第一个处置乏燃料的国家。

瑞典早在1995 年就建成了Aspo 地下实验室。2009 年确定了处置库场址(位于Forsmark 核电站附近)，2020 年政府批准建造乏燃料处置库。

法国采用核燃料闭式循环战略，最终处置的是高放废物玻璃固化体。2004 年建成Meuse/Haute Marne 地下实验室。于2015 年确定了处置库场址。目前政府正在评审处置库建造申请，预计2025 开始建造处置库，2030 开始处置高放废物。

但是，国外高放废物废物最终处置仍然面临公众接受、长期资金筹措、研发不足、党争影响等困扰。

我国乏燃料、高放废物 处置现状

法国高放废物处置库示意图

我国高放废物主要源于核电站、国防核设施、反应堆和将来可能建造的高温气冷堆。压水堆乏燃料经后处理将产生高放玻璃固化体、高放固体废物和α 废物。国防核设施生产和军工核设施治理和退役，也将产生高放玻璃固化废物、高放固体废物和α 废物。另外，需要进行深地质处置的还包括长寿命中放废物和高危险度放射源。

我国高放废物地质处置研究工作于20 世纪80 年代中起步。30多年来，在选址和场址评价、工程屏障、地下实验室设计和建造、核素迁移、安全评价等方面均取得了显著进展。核工业北京地质研究院等单位开展了高放废物处置库场址预选研究，掌握了场址特性评价方法，筛选出甘肃北山为我国高放废物处置库首选预选区。在工程屏障方面，研制出综合性能最好的高放废物处置库缓冲材料GMZ01。在地下实验室开发方面，筛选出北山新场为地下实验室场址，完成了地下实验室的工程设计，并于2021年6 月17 日正式开工建设地下实验室。

中国北山地下实验室项目是列入国家“十三五”规划的百项重点工程之一，其开工建设，标志着我国高放地质处置工作进入了地下实验室建设及研发阶段。项目位于甘肃省酒泉市北山新场，采用螺旋斜坡道﹢三竖井﹢两层平巷的主体架构方案，在地下280米深和560 米深建设试验水平，用于开展现场试验。建成后，将成为世界上规模最大、功能最全、参与范围最广的地下实验室，将为填补我国在高放地质处置技术地下现场研发平台的空白，攻克高放废物安全处置这一世界性难题，保障核工业可持续发展提供无可替代的研发平台。

目前地下实验室螺旋斜坡道已经开挖到432 米，揭露出来的岩石极为完整，与预测结果完全一致。地下硐室的稳定性也非常好。

为推进高放废物地质处置研发，2021 年1 月18 日，国家原子能机构批准设立高放废物地质处置创新中心。依托北山地下实验室，这一国家级创新中心是我国高放废物地质处置领域的科技攻关、技术创新、国际合作交流、人才培养的创新基地和重要平台。中心既是面向国家战略需求、汇聚国内顶尖技术力量对高放废物地质处置领域进行科技攻关、技术创新、国际合作交流、人才培养的创新基地，也是面向世界，与各国开展高放废物地质处置技术合作，为安全处置高放废物领域提供中国智慧和中国方案，扩大我国在核领域的国际影响力、推进核能可持续发展的新平台。

尽管我国高放废物地质处置研发取得了一系列重大进展，但在技术方面，尚需进一步夯实基础。主要包括突破处置场址深部特征及适宜性评价、多场耦合和超长时间尺度下多重屏障体系的长期性能评价技术、处置容器材料、放射性核素迁移机制、处置系统长期安全评价技术、处置库建造技术等方面。

今后应进一步理顺管理体制，做好资金筹措，稳定投入科研经费，加大技术攻关，加大国际合作。尤其应当补足短板，为实现最终安全处置我国高放废物的目标建立坚实的科学、技术和工程基础。