对核废料处置的深入思考

2022-11-11 11:38  来源: 嘿嘿能源heypower    核废料

长期以来,成功创建高放射核废料深层地质处置场一直是核工业面临的关键挑战。如今,该行业一系列的突破似乎在探索的尽头露出了曙光。


长期以来,成功创建高放射核废料深层地质处置场一直是核工业面临的关键挑战。如今,该行业一系列的突破似乎在探索的尽头露出了曙光。

1、深层地质储存库


芬兰已开挖五条核废料储存隧道(图源:网络)

虽然核电现在被视为清洁能源转型中的关键角色,但长期处置核废料仍然是该行业面临的关键挑战。

深度地质处置被广泛认为是永久处置高水平废物(尤其是乏燃料组件)最可行的解决方案,但在开发物理储存库方面进展甚微。

至少直到最近,情况是这样的。今年已经出现了一些重大发展。

越来越多的证据表明,最终储存库的发展正在加快,瑞士的深层地质储存库选址现已选定。

在2019年开始的为期三年的钻探活动中,负责瑞士处置计划的国家放射性废物处置合作组织(Nagra)在三个潜在选址区域钻了9个钻孔,每个区域都有一层100米厚的Opalinus粘土,非常致密且牢固。

这一乳白色粘土层将作为瑞士的储存库,是容纳放射性物质的最重要的长期安全屏障。

尽管各地区不同,例如,Opalinus粘土层的深度可能会随着相邻岩层的变化而变化,但经过18个月的初始计划,Nagra能够确认有可能在所有考虑的三个地区内建造一个安全的深层地质储存库。

Jura Ost、No¨rdlich La¨gern和Zu¨rich Nordost地区的进一步勘探和后续钻井作业最终完成了总计10,000米的钻孔和超过6000米的岩芯回收,这是1.7亿瑞士法郎(1.7亿美元)活动的一部分。

在绘制了完整的地下地图后,尽管存在冠状病毒和钻井过程中的小技术困难,地质与安全主管兼Nagra执行委员会成员蒂姆·维埃托(Tim Vietor)确认,不仅有可能建造一个储存库,而且还有足够的空间用于储存低、中、高废料的组合储存库。

2、联合储存库


大量岩芯样品证明了瑞士联合储存场地的适用性(图源:网络)

《瑞士核能法》规定,瑞士的放射性废物必须在深层地质处置库中处置。Nagra提出了一个适用于所有类型放射性废物的联合储存库。

Nagra宣布,它对诺德利希·拉格恩(No¨rdlich La¨gern)的结果感到满意,那里的Opalinus粘土非常致密,粘土层上方有一个珊瑚礁。

9月,Nagra宣布,它选择了位于苏黎世北部祖里奇州祖里奇低地的地区作为首选储存地点。

尽管所有的场地都有相似的主岩,但限制性地质单元的差异意味着诺德利希·拉格恩比预期更适合储存库建设,并且拥有最大的安全储量。

此外,该场地还拥有适合施工的最大地下区域,为储存库的最终布局提供了最大的灵活性。

2015年,Nagra曾担心,从工程角度来看,在诺德利希·拉格恩建造储存库将更具挑战性。然而,进一步的调查显示,Nagra的初步评估过于谨慎。

Nagra的CEO马蒂亚斯·布劳恩(Matthias Braun)指出,深部地质处置场选址方案的制定可以开始,Nagra目前正从研究阶段过渡到许可和实施阶段。

Nagra现在将准备一般许可证申请,预计将于2024年提交给联邦委员会。

然而,Nagra表示,大约30年左右的时间才能真正开始垃圾填埋作业。

储存库的地面入口将在祖里希州斯塔德尔的哈伯斯塔尔区建造。Nagra还计划在Zwilag临时储存设施建设封装厂,该设施已经存在并已运行多年。它位于阿尔高州的吴仁林根(Wu¨renlingen)。

3、克服技术难题——膨润土

随着长期地质废物处置物理场地的进展,Nagra是众多研究小组之一,他们也在致力于解决该解决方案带来的一些技术挑战。

例如,美国劳伦斯·伯克利、桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家正在与Nagra合作开展HotBENT项目,该项目旨在研究膨润土在长期受热时如何保持其安全功能。

膨润土是一种天然的粘土基材料,放置在掩埋的高水平废物容器周围。因为一旦接触水就会膨胀,这一特性有助于防止废物移动。

伯克利实验室HotBENT首席科学家郑连戈(LianGe Zheng)解释道:“人们担心地下核废料释放的热量会改变膨润土缓冲层和主岩的地球物理和地球化学性质。”

郑补充道:“对于这一长期系列的实验,我们将评估膨润土中的热、水文、化学和机械变化,以及随着时间的推移对材料安全功能的影响。”

HotBENT项目由Nagra领导,但也包括美国能源部以及加拿大、日本和英国的合作伙伴。

通过证明膨润土对高温的耐受性,该项目的目标是通过允许废物容器之间更紧密的间距和减少整个储存库的占地面积,使更多的放射性废物能够安全地储存在地下储存库中。

现场测试于2021年9月在瑞士格里姆塞尔(Grimsel)地下试验场开始。

安装了四个加热器后,温度在几个月内缓慢升高,最终达到200°C。

这是存储库当前最大允许温度的两倍。然而,先前的研究表明,即使在两倍于最高温度的情况下,膨润土也不会失去很多有益性能,在模拟中膨润土的膨胀能力最多只降低约4%。

在最初的18个月测试计划中,科学家们将研究可能影响膨胀能力的材料变化。

从长远来看,Grimsel场址的建设将允许在2026年左右,加热五年后部分拆除一个扇区。预计在2041年左右,加热和水合阶段的20年后,该扇区将完全拆除。

郑说:“如果瑞士试验场能够在很大程度上验证建模结果,那么膨润土缓冲液可能能够在比之前考虑的高得多的温度下保持其大部分保护功能。”

4、加拿大废物储存库


NWMO表示,将利用铁路和公路运输将超过 500 万乏核燃料束运送到深层地质处置库。(图源:NWMO)

加拿大核废物管理组织(NWMO)也在与Nagra合作,最近宣布了其废物处理计划的进展,在安大略省奥克维尔的试验设施全面展示了其工程屏障设计。

NWMO副总裁兼总工程师克里斯·博伊尔(Chris Boyle)表示:“演示的所有元素都按照预期和计划进行。”

加拿大高水平废物储存库将建在地下500米以上,设计采用一系列五道工程和天然屏障。

目前正在考虑两个区域作为储存库位置,即安大略省西北部的Wabigoon Lake Ojibway Nation Ignace区域和安大略南部的Saugen Ojibway Nation South Bruce区域。

NWMO现场服务经理表示:“2021年春季在南布鲁斯开始钻井的准备工作进展顺利。第一个井场的施工已经完成,我们的承包商已经开始在第二个井场施工。”

在试验过程中,为乏燃料设计的容器被移动到模拟储存空间,然后剩余空间被松散的颗粒状膨润土粘土材料填充。

组装完成后,每个乏燃料容器及其膨润土填充的缓冲箱重约8000千克。目前正在进行深入分析以评估结果。

自2010年国会停止资助尤卡山(Yucca Mountain)遗址以来,美国尚未确定一个长期处置高水平废物的新地点,但那里的工作仍在继续。

8月,总部位于美国的“深度隔离”(Deep Isolation)和Amentum签署了一份协议备忘录,将“深度隔离”的核废料处理技术商业化,该技术具有定向钻井的特点。

该公司辩称,这是传统深挖掘方法的替代方案。联合工作的最初客户目标包括欧洲和太平洋国家,这些公司估计,那里的市场价值超过300亿美元。

“世界瞬息万变,为了核能的成功,我们必须解决核废料挑战,”“深度隔离”的CEO伊丽莎白·穆勒(Elizabeth Muller)指出。

5、批准向前迈出了一步


瑞典政府最近批准了福斯马克地下储存库(图源:网络)

随着技术和物理的发展,今年也出现了重要的政治和监管举措。

例如,在法国Cige´o,高级和中级废物的深层地质处置项目是公共事业申报(DUP)的主题。

这一举措标志着法国国家放射性废物管理局(Andra)Cige´o项目许可过程中的一个关键点,政府于7月在官方期刊上公布了这一法令决定。

储存库将位于默兹省和上马恩省之间的边界,设计用于在500米深的稳定地质层中储存高水平废物。

该设计包括对已处理且持续时间不少于100年的废物包装的潜在回收。

其目的是确保处置设施在未来几代中的可逆性,这种可逆性将主要通过逐步建设设施、设计和灵活处置系统的适应性、技术进步的整合以及对能源政策的任何潜在变化的适应来实现。


法国Cige´o地下隧道(图源:网络)

尽管这是一项重大发展,但Cige´o的公用事业申报并非施工许可证(施工许可证申请预计将于今年年底提交给法国核安全局(ASN))。

瑞典今年也宣布了一项重大发展,政府决定允许SKB在奥斯卡姆市的福斯马克(Forsmark)建立一个最终储存库,同时在奥斯卡姆恩建立一个封装工厂。

许可程序的下一步是由土地和环境法院确定相关条件,而瑞典辐射安全局也将根据《核活动法》决定许可条件。

40多年来,SKB一直在研究和开发最终储存库的技术,并于1992年开始寻找地质储存库的场地。

然而,只有在所有许可证到位后,才能开始实际施工。最终批准到位后,建造乏燃料储存库需要大约10年的时间。

SKB首席执行官约翰·达什特(Johan Dasht)在一份声明中表示:“我们现在期待着实施瑞典最大的环保项目。”

该案件现在将移交给土地与环境法院和瑞典辐射安全局。

6、芬兰项目


奥尔基卢托核电站地质处置设施(图源:网络)

尽管在许多国家都取得了进展,但芬兰在开发物理存储位置方面处于领先地位。

奥尔基卢托(Olkiluoto)地下400-450米处的地质处置设施建设接近完成。

第一批废料预计将于2024年放置,7月前五个实际最终处置隧道的开挖工作已完成。将在前五个处置隧道中钻取约180个处置胶囊的孔,总长度约为1700米。

该地点被称为ONKALO,是在对整个国家进行初步筛选后选定的,然后在四个入围地点进行详细选址。

虽然所有的地点都是合适的,但奥尔基卢托的可用面积最大,大部分乏燃料已经储存在那里。

政府于2001年做出最终决定,隧道开挖于2021年5月初开始。Posiva是负责机构,由该国的核发电公司所有。

虽然深层地质处置是长期解决乏燃料等高水平废物的最佳方案,但同样明显的是,即使在芬兰、瑞典和法国等领先开发竞赛的国家,实际储存的执行也有一定的差距。

鉴于这意味着继续使用干式或湿式储存乏燃料组件,现场也正在进行大量研究。

例如,国际原子能机构(IAEA)最近启动了一个新的协调研究项目(CRP),以探索乏核燃料储存系统的长期影响。

该机构指出,大多数现场存储系统最初设计为可使用20至50年。

然而,几十年来,长期处置前的乏燃料储存时间一直在稳步增加。

大约有60年的湿式储存和4年的干式储存,现在典型的储存时间为100年或更长。

在一些国家,这一时期长达300年,并且正在设想中。尽管在设想中,已经算出了良好的性能数据,并获得了宝贵的操作经验,目前正在开展工作,为延长当前许可的存储方法的持续时间,以及在这些系统达到其原始设计寿命时的额外监测和检查技术提供科学依据。

新的四年期研究“延长贮存系统性能评估”旨在收集乏燃料贮存系统性能、监测和检查方面的运行经验和研究结果。

该方案的主要目标是加强关于干式或湿式乏燃料储存系统长期性能以及检查和监测技术的技术知识。

具体的研究目标包括确定湿式和干式乏燃料储存系统中使用的材料的降解机制,开发储存系统和运输容器维护和检查的新方法,开发监测干式储存系统安全性的技术,以及其他研究领域。

在全球范围内,核工业将不可避免地创建深层地质处置地点,这些地点将在未来几十年内投入运营,2022年将成为关键发展突破的重要一年。

作为一个行业,这对未来发展至关重要,但对于许多拥有积极核计划的国家来说,这离实现还有一段路要走。



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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