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放射性废弃物的地质处理及其他地质环境的长期安全性 第六图书馆 放射性废弃物 地质处理 地质环境 安全性世界环境尚彦军 桂兰润不详1997第六图书馆 第六图书馆 7 一 I 、f7 钓音 、\ 废 弃 ‘例 放射性废 弃物的地质处理及 其他地质环境的长期安全性 G col ogi cal D i s pos al of R adi oact i ve W as t es and Longt erm St abi l i t y, 2 , of G col ogi al Envi r onm ent L 互 \ \匀 牲 TSUKAM oTo Hi t o s h i KO1 DE Hi t os hi W i I h t he us e of at om at i c e ner gy。 how t o di s pos e ra di oac t i v e wa s t e s has be c om e an i m port ant r e s e a r c h s u b J e c t u Ⅱ 且 v 0 i d a b l e l y.Amo ng t he c o un t e r me a s u r e s o f d i s p o s i ng r a d i oa c t i v e wa s t e s , geo l og i cal di s pos a l i s doub t l e s s a s af e and r el i abl e m e t hod.Com par i ng wi t h ot her m e t hods, i t k e e ps t he wa s t e s de e p i u t h e e a r t h s h e l l a nd f a r f r o m hu m a n a c t i o n a r e a s . S o i t i s s t a b l e i n l o ngt e r m i n e s s e n c e. But e a r t h qu a k e o f t e n t a k e s p l a c e i n J a pa n whi l e t he t r e a t me nt o f hi g hl Y r adi o ac t i ve and ot her haz ar do us was t e s ne e ds t hous ands of ye ar s or e ve n m or e t i m e . W hat WO UI d b e t he s i t ua t i O H Thi s a r t i c l e e x pl o r e s t h e qu e s t i o n. 1 . 引 蓄 随着原子 能的利用 ,怎样 处理放射性废弃物 已不可避免 地成为一个重大研 究课 题。在处理放射性 废弃物的对策 中, 地质处理无疑 是安 全可靠 的。同其 它方 法相 比,重要的是它 使废弃物尽可能地 远离人类 活动的场所 ,这样置于地下深部 更安全、 更可靠 。这要归功于地球体积大、 质量 大, 有高技的 力学及化学 的缓冲能力 的特点。也 就是说 ,在地下它发生变 化的可能性很 小, 从而本质上是长期稳定的。 然而,像 日本这样地 壳变 动 比较剧烈的地方 ,的确有人 认为地质处理废弃物是不 可行 的。其要是经历 了阪神的大地 震以及渔 路的火 山喷发等惊天 动地 的场面的人,有这种想法 也是可 理解 的。可是, 即使 可 说 日奉 的的地 质活动剧烈 , 也不能说整 个地 壳变 动迅速 。区域性 整体变 化还 是 比较 小 的。活断层造成的地震导致几米位移的 出现,可是距下次大 地震 之间的几千年时间里 ,它有可能是完全不动的。一万年 内变化 1 0 m 以上的断层属于 A 级斯层 。再强烈 的地震 及火 山喷发对地下深处设施的直接 影响几乎为零。 可是 ,当高放射 性 及其它有害物质数千年 致 更长时 间需 要在地壳 中处理 时,就有 必要考 虑岩体 中的 设施的 安 全。 根据现在 的水 平,短 时间 内封 闭有害物 质是可 以做 到 的。可是要它经历数千年、 数万年仍然完好无损, 就成 为超越 我们 当前技术水平的课题 了。 地质处理也就是 好好 利用 自然界的耐久性 。对放射性废 弃物处理设施 的研究,必须从 来 自外 界的变 化 及处理场 中 岩体结构长期安 全方 面加以研 究。 2 . 高剂量放射性废 弃物的地质处理 具有长期危害性 的废 弃物 必须长期 安全地 与人类生活环 境隔离开。因此有代表性 的高 剂量放射性 废弃物必须在地下 具有高屏蔽性的岩石中加以处 理。 高剂量放射性废 弃物 具有 高放射性 , 能放热, 而被玻 璃固 化后. 不会发生爆炸 , 而且 可燃性 小, 是属 于安全性 固体 的一 种废弃物。只要不靠近 , 短期内就几乎设有危险。棱分裂生成 物很多, 可以发 出很 强的射 线, 但 是它们会 迅速 发生变化 ; 经 过一千年或更长时间, 其放射性就会根低, 危险性从而也就极 小了。但是超铀 等元 素长期具 有放射性 ,虽然 程度也逐 渐下 降, 但经过数千年以致数万年 仍具有不可忽视的放射性, 那么 这类物质就 必须 长期地从人类 生活环境中隔离 开来 。数 万年 的隔离时间.已超过 了人类 文明的历史 ; 实 验上 无法证 明, 现 在的科学方 法也 无法保证其绝对安全性 。因此对高剂量放射 性废弃物处理 的问题 ,虽然根据 其性 质在 短期 内可 以使其安 全, 但长期的处理方法应成为今后 的研究课 题。 可是 ,从地球 约 4 5亿 年的历史来看 ,数 万年仅 是一瞬 间。地 球的长期演变都体现在 了岩石 的有规律性的变化 中。 所 试 图分析其超长期的变化 , 了解地 球的过去和现在, 又 称为“ 自然分析” 。人类社会的变化 、 地球的变化, 最终也是十 分缓慢 的, 变化相对较小. 数千年 以至上万年的地球变化方 向 和 历程是可 粗略地估算 出来 。但对地球未来作严 密的预测 是 比较 困难 的。但是确定这种变 动对 隔离场所设有影响 ,设 计 出这 种场所也不是 不可能 的。 预测 地球 环境的变化 范围, 虽然具有 不确定性,但是做到安全设计 以及保证地下处理过 程安全性还是可 做到的。 除了将放射性废弃物进行地质处理储藏外,还有人建议 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 图 1 岛屿地区地壳壹动集中区域和安定区域的分布示意图 将其 置于地表而经常受到监视。可是放射性 物质的固化使之 暂时 在短期 内没有危 险,就 没有 了经 常监视 的必要性 ,而为 了能 时时去监视它, 它 就不会离开 人类 的生活环 境. 至少, 使 人暴露 在这种放射线下的机会增多 了。因此就不如将其尽可 能地置于远离人类生活环境的地方更安全些。 现 在考虑如果将之置于数百乃至数千米的地下,而且 已 知处理场所 的位置和地质构造的话,万一发生了意想不到的 地质变化, 也有可能再将其取 出来 。例如 , 进 行一年一次的粗 略的远距离检查 .如果发生 了变化,在 其还 没有造 成实质性 的危害前, 我们就有 充足 的时 问处理它 现在,根据原 子反应原理 将高剂量放射性废 弃物中长寿 命者转化为短寿命者的研究正在 进行 中。一旦成功,并且实 用化,那么高剂量 放射性 废弃物隔离的时间就可 以缩短。可 是这 项研究要 花相 当长 的时间 ,而且 即使可 以投入 实际应 用, 地质处理长 寿命放射性废弃物还是不 可缺少的 。再者, 根 据放射物的量,处理过程会增加 .因此地质处理技术是 必不 可步的 。 3 . 地下的安全 性 许多人 认为地下是 一个危险 的场所,可是近 地表处.如 岩石圈、 气圈 、 水圈的交界点 处才发 生着 微其剧烈 的变化, 例 如台风 、 洪水等 . 对地下 的处理场几乎 不造成危害 。与地表相 比,地下深部变动较小.危险性也 小.而且远离人类生活场 所 , 所以在地下深部处理废弃物是最合适 的。 有 许多例子 可 以证 实地 下设旌 更能抵 抗地 震所能造 成 的破坏 , 例如 1 9 7 6年发 生在 中国唐 山的里 氏 7 8级地震。在 唐山市 地下 5 0 0 8 0 0 m 的深 处有煤矿 , 地震 中心的断层横穿 煤矿。虽然位于地震 中心 的位置, 但是煤矿 受到 的破坏 很小 , 1 万煤矿工人在地震时安全 无恙,而上 面唐 山居 民中的 1 /2 死于这场灾难 。 放射性废弃物处理设施位于地 下,抗震性较高 ,由其 造 成的损害几乎可以不予考虑。但是在唐山地震时坑 内出水量 增加了 4 O % 一3 0 0 %的事实 显示 ,由于地下变动所造成 的间 接影响还是 比较重 要的。 为 了保证 长期 的安全性,由地震造成的地 下水 流量 的变 化是否对处理场产生一定的影响有待深 入研 究。 火山喷发造成的熔岩流在地表 流动,而地 下受岩浆 的影 响范围是极小的。因此火 山喷发 和岩浆的侵入对地下处理 场 的影响很 小.但岩浆 的热量 导致 的地 下温度升高和化学性状 的改变等 问接影响是值得 注意 的。在地下深部 的岩体中封存 38 放射性 废 弃物 从而将 其 与生物 环境 实质性地 隔离 开 来。将 Cq 压人海底或 寒冷 的地下 .地下水发 生变化 ,使不透水层 自行封 闭, 期望做到完全防漏。在放射性废弃物处理场所 也是如此。将填充物和化学物质进行调整 以增强岩石 中的自 行封闭功能的研究是很有必要的。而且地 下 比地表安定 .即 使有变动也是 比较缓慢的。实际上 放射性 废弃物质到达地 表 的可能性 是很小的, 因此从安 上考虑 . 应 该将废弃物尽可能 地 封存于地 下。 4 . 地下环境 的多样性 以及变动的速度 将放射性 废弃物封入地下深 部的岩体 中是 现在以及将 来 我们可 以利 用的技 术, 而且也是安全正确 的处理 方法。但是 . 还 不能 说一点 问题也 没有 。因为 我们对地 球本 身还 知之 甚 步. 特别是在 日本列 岛的板块附近, 大部分属 于所 谓的活动地 带。因此 同大陆相 比. 此地的地壳变动剧烈, 断层很多, 地震 、 火 山活动及地 热活动频 繁。由于地壳变动 的结果 ,具 有碎 裂 岩 、 风化岩 、 变 质岩、 软岩分布多的特点。而且 由于雨水多, 地 形 比较 陡峭 , 地下水丰 富、 流速快 。但是, 这 只是一般 的特 点 而 已.狭小 的 日本 列岛内地下环境各 不相 同。倒 如火 山分 布 较偏,而在火 山 口和 由于板块下 降造成的海 淘之 间的部位几 乎 不存在火 山, 活断层 的分布也是如此 , 也就是说, 火 山口和 海 淘之 间断层 步 图 1 。 在一般情况下 随着深度增加 .压力和温度都上升 。在地 下数千米 的位置 . 岩石 的强度很大 . 但是再向深处, 由于温度 上 升, 岩石的流 动性急剧增 强, 而强度下降。这种软化的深度 取决于地温梯度。地温梯度小的地方. 位置较深 . 地温梯度大 的地方 . 位 置较 浅。例 如火 山 口附近地下深部 的岩浆上涌, 温 度升高. 岩 石软化 深度变浅 , 而刚性 的厚地壳部分变薄 。与之 相对, 在远离火 山 口的海沟侧 . 由于板块俯冲 . 地 温梯 度小, 而 软化部位较深 , 因而刚性厚地壳部分很厚 。这样 , 变动部位多 集 中在刚性地 壳薄的火 山口附近, 比较激烈 。而在火 山口和 海沟之间的厚而刚性地壳部分则相 对稳定 图 1 。但是在海 淘侧附近的海洋板 块上地 震发生很多,地震几乎全部发生在 刚性 且厚的地壳 内。 地壳快速 隆起 的部位位于板块 交界处和 火山 口附近。 日 本也像阿尔卑 斯山一样,出现了好 多崇山蝗 岭。但是即使 是 隆起剧烈的部 位平均 起来每年 的上 升速 度也只是几 个毫米而 已。地下水上升而 造成陆地 急速下降的现象 也有 ,但只是在 局部 而 已。除 了受 到板块 相互 作用 的直接影 响的地 区外.几 乎所 有的上升和下 降的速 度一年 也不超过 l mm. 大 多数地 区 超过 这个 限度 的缓慢变化 几乎 不存在 。 在活动剧烈的 A 级断 层上 , 年变化在几个毫米 内。活动性 超过 A级 的断层 位于 板块 交界地带 、 火 山口附近以及集中在中央构造带部位, 其它 地区活动速度超过 l mm 的就裉 步 了。一般来说 . 日本列岛与 大陆相 比, 地 质条件较 羞. 但不排除个别地点条件是好 的。 活断 层和火 山喷发 几乎都有些 预兆而不是 突然发 生的, 它们都是经过长时期发展而来 的, 即所 谓的 罗马不是一 日造 成的 ” 。 自然界是 复杂 的. 但决不是荒 唐的, 而是有规律可循 的。知道 了活动断层 的发展规律,其发展方 向就可 以推断 了 图 2 。 目前关 于 活断层 和火 山 的发 展规律 的研 究正 在进 行。 日本 自然条件差 . 有人主张不 能利 用外 国的研究成 果, 但 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 图 2 断层 的发展阶段 小 出, 1 9 7 9 1 . 微小裂缝期 2 . 幼年期 3 少年期 4 青年期 5壮年 期 6 老年 期 7 类似 曲别针时期 也不尽然。可是如果不考虑 自然条 件和社会 条件的差异性 , 而盲 目照抄 照搬肯 定是 不能解决 问题的。 日本的 自然条件决 定了它 有 自己的特殊要求 。根本在于要详细 了解 日本地 下的 变化 ,以及预测将 来可 能发生的情 况,这是作地质处理 的前 提 。地质处理放射性废弃物就必须详细 了解设旋周围的地 质 情 况 因而长期预 测就 需要大量数 据。现在正在进行稍 微粗 略 的研 究,获们十分有必要 了解地下的多样性 以及变动的范 围。 5 . 在 日本进行安全评价需要考虑的 因素 评价处理场的安全 问题,就是所谓分析现象.那就必须 结合 日本实际的特点 ,考虑安全 评价 这 里所 说的特点是指 一 般特点。在 日本 个别地 区 内可能不适用 ,因此有 的现象就 不必研究了。以下的简单 介绍在 定性研 究中会有所帮助 。 1 国土狭小, 』 、 口众 多 高放射性 物质地质 处理场 所不需要大面积场地。但就选 择的地 点. 选择范围小 , 这 一点与大国相 比. 困难 就增 多了。 人 口众多, 应该注意』 、 类的活动。例如根 据地 点, 为了取 水和资源探查等 目的而钻探 的问题就必须考虑。钻孔不能直 达处理场 时,但 是可 以作 为地 下水新 的路 径,因此就 可脂对 地下水造成影响。 2 岛国的状 况 干燥的大陆是投有 内陆水系的。地 下深部所 存在的水最 终是要流 向海洋的。如果距海近 的话,海面变动可能影响地 下水的流动状况 ,因此有必要研究海面的变动情况 。随着气 温的变动, 冰 河变化 , 影响海水量的变化。冰期到来 时海 面平 均下降十到数百米。如果气温升高, 冰 河融化 . 海平面有可能 升高 3 0 m 由于』 、 类活动造成的温室效应影响气候变化也可 能加速海面上升。 海水起 源的地 下水在地 下探部较 多,即使在 内陆地下也 存在, 即所谓 的“ 化石海水” 。这种地下水几乎是 不流动 的, 因 为岩石具有根好 的隔离性,且因为是 盐水 .人类几乎不能利 用, 更不能饮用 , 更有 比重大的特 点, 不利于上 升; 另外其化学 性 质必须检 查分 析这种水是 否因为密闭而 有腐食 的性 质。 3 雨水 多、 地 下水 位高 地 下深 处的地 质处理 场所位 于地 下水 面以下,而与地 下 水位的高低无关 ,通常情况 下的地下水具有调节 作用 。雨 量 及气温 的变化都可 影响地 下水及地下水的流量 ,前述 的』 、 类 活动对短期 内气温变化 的影 响也是不能忽视的 4 地 形险峻 由于地形险峻 ,侵蚀速度快 ,地下水流动的速度 一般很 大,根据地下水流研究地下水运移情况特别是研 究大 区域 的 地 下水流是十分重要的 。由于水有侵蚀作用,肯 定对难透水 的岩石造成损伤,从而也会改变地下水的运移情况。密度 小 的沉积岩埋人地下时, 随着压力 、 温度的升高, 其密度会相应 增 加, 物理性 质发生变化, 水 和气 体发生分离, 象这样发生缓 慢变化的软岩堆积场所是有必要加以研究的。 5 地壳变动剧 烈 区域性地 壳变 动的速度很不相同。一般 来说 与大陆相 比 变动大的情况不可忽视 。因此 . 对地 面隆起 、 沉降现象 、 岩体 变形现象, 岩体应力变化现象都有必要加 以研究。 地面隆起 和沉降是 相对与海面而言的,地壳 变动和海面 变动是一致的。与海平面相 比, 如 果地 面隆 起、 侵 蚀加速 , 有 可能引起地 下水流 的变 化。地 面隆起和 侵蚀现象是有 一定相 互联系的。隆起大 的地 点必须考虑 处理 场是 否可 脂直接 暴露 出来。因此深部地 质处理废弃物需要经过精确 的长时 间的观 察。 地 面沉降对地 下水 系造成 影响 ,其隆起和沉 降是 由于地 层变动 引起 .又叫变形 。对处理场挖掘等』 、 为的影响也 有可 能引起地层变形, 而这 些变 形对地 下水流有影响。 岩体 受力变形的原 因是 有自然应力和』 、 为的 因素。冰 川 荷载在 日本可 以不于考虑 ,建设处理场也是岩体应力变化的 原因。 6 断层和裂缝较 多 由于地壳变动激烈,袭缝 和断层增多。通常在裂缝处透 水性较高。 日本断层处粘土化 的现象较多。而在这种场所透 水性低。地下深部的断层及裂 齄的状况在今后注意研究。 裂缝是地下水运 移的通道 ,特别是在结晶岩的地 区。地 下水在岩体中的运移可以被模 型化,但是不脂对其 作精 确了 解。如果对地下水在裂缝中的状态不能了解,就不能对水流 的不规则流动进 行模 型化 。 7 活断层相对多的特点 有必要检查及研 究断层变位及 断层形成 。断层变位是 由 于断层错位 而导致地层交错,它 会影 响地 下水 或者使处理 场 所 变形 。与岩体变形相似 , 断层形成过程,会产生新的断层 、 断层增大 、 老断层错 动等现象 , 这些对地 下水影 响都很大 。 8 地 震多 39 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 虽然地下 设旖很 能抗震 ,但 是对 于地 震过 多 的 日本而 言.也需 仔细研 究。地震对处理场 中的空洞 以及空洞被完全 堵 塞的影响是不 同的。空洞在 处理场 中对地震的 传播具有重 要意义。将空洞完全填 充后地 震对 处理场 的破坏作用减 小, 但 是当更强 的地震旖 加上时,就 有必要仔细研究其工程学和 天然障 碍物 的影响,特别是地 震造成 的岩体裂缝对地下水运 移有影 响, 这些都需要加以调查。 9 火山温泉 、 地热 活动普遍 火 山及岩浆等活动对处理场 的直接影响是很小的 ,但新 形成的火成岩产生的地热现象造成的 间接影响范围广大,值 得 注意 。由大规模喷发 、熔岩 流等现象对地表有大规模的侵 蚀 作用 。 在这 种场 合, 大规模喷发现象 归于侵蚀一类。 如果岩 浆 直接 灌入处理场,后者被破坏。放射性物质随地下水而泄 出,属于岩浆注入现象。而进入处理场 的岩浆如果又以火山 形式喷 出来 ,那么放射性物 质又随之到 达地 面上 ,这叫岩浆 贯入喷 出现象。当然岩浆直接进入处理场的可能性很 小,但 是有必要对火山活动发生 的地方仔细研究。 即使岩浆不直接进入 处理场,而进入 附近的地方,也会 影响地下水, 而且还 有穹隆、 破火 山口等结 构的形成, 有 必要 对断层形成 、岩盘变形的可能性 加以研究。除了间接 的新旧 火 山以及休眠火山的影响外 ,还有热水和温泉的侵入,它 们 的温度升高, 根据 其它的化学性状, 其浸 出速度有可能改变 , 因此对热水现象有 必要进行 多方面的研 究。 1 0 地质复杂且少 见大 而均质的岩体 处理场 中母岩 的体积不 需要 太大 ,但如果地 质结 构复 杂. 就很难设计处理场。为解决其问题 . 就 有必要开发精密的 非破坏性 的三 次元地质调查法 ,特 别需要注意的是 断层 、岩 脉,或者是粘土岩 中的砂质岩部分 有利于地下水的流通 ,而 断层粘土带对地 下水有阻拦作 用。 1 1 岩盘 风化变质显著 由于 气候 、热 水、地壳变动等影响所造成岩石的风化变 质现象在 It本很是普遍 。风 化后 的岩石具有很 好的通透性 , 自然就不适合作处理场 .而且风化变 质岩不均 匀.地质结 构 很复 杂.因此风化变质岩的研究以及地质处理后造成岩石的 风化变质 问题应该给予研究。 以上所例举的现象, 是 一些 定性研 究所 必需 的。当然, 根 据 区域性母岩的性质, 处理地点各 异, 也不一定全部考虑 。根 据实际情况有的方面可以忽略 ,而其它的方 面可能需要仔 细 研究 。 日本需要特别注意的是与地 壳变动有关的现象 。为了确 定地质处理 的安全性 .预测 日本未来 的地壳变动应成 为重要 的课题 ,继而需要研究 日本 以前所发生 的地壳变动 以及变 动 所造成 的裂缝的大小断层, 而且火山、 地热活动造成的热水 的 间接影响也需要加以注意。 6 . 日本进行地质处理的可能性 日本列岛中, 地质条件各异 , 但就每十地 点与其它 国相 比 不一定特别恶劣。但是就一般 而言, 日本的 自然 环境和社会 环境与大陆国相 比还是 比较 恶劣的,这 一点 无法 否认 。因此 同国外相比, 有必要为保证 It本地质处理的安全性作努力。 It本地质环境 不属 于大陆 , 而属于岛国。一般地 , 岛屿与 大陆相 比地壳变动剧烈 ,地震和火 山活动较多 。现在利用原 子能发电的国家大都位于大陆 。与 日本一样位于 岛屿上而能 利用原子 能发 电的地 区大概还 只有 台湾 。 因此 , 为了分析 日本地 质处 理的可能性 , 必须从 日本的实 际情 况出发 。当然别的大陆 国家的开发技术和调查结果也是 可以应用的 , 只是 有必要同 日本 的实际情况 相结 合。 为了研究 I t 本地质处理的 可能性,首先应该根据 日本地 下水运移的规律,构造一十符合 日本实际情况的模型。根据 模型有必要再研究其安全性。 因此必须调查 日本深部地 下水 的状 态。 在讨论 日本地质处理的安 全性 时,一般人都对地壳变动 问题存有疑虑。当然多次见到惊天 动地的地震火山的 日本』 、 有这种想法也是可以理解 的, 要解决这个 问题, 最重 要的是研 究长期安全性。 能够对处理场的地质环境 数千 年以至数万年后 的变 动情 况或者将来变动范围的 程度的预测 是十分 必要的。因此 对 It 本列 岛的过去的地 质环境 的变化以及 了解 其变 化规律是很重 要的, 这种知识对将来构造预测模型是 必不可少的。 根据 地壳变动进行数万年 以上 的预测是可 能的 ,但是具 体定量到什么程度的问题是很重要 的。倒如 ,在数万年 内隆 起超 过 l O m 是 不可能 的。这种 推测 在一般 的地 区都 是可信 的.但 如果 要保证地质处理高剂量放射性废弃物的绝对安全 还需要 更加精确和可信的预测 。 尚彦军桂 兰润译 自日拳 地质 新闻 5 0 1号 1 9 9 6年 5月 . PP. 1 82 4 蓁文正柱 会 议 消息 1 9 9 7年 9月 2 l 一2 7日 电话 4 41 1 5 9 8 5 6 5 4 5 第 2 6届大 会 城市环境 中的地下水 传真 4 4 1 1 5 9 8 5 6 6 1 2‘ 地点 英国诺 丁汉 大学 东半 蔼兰兹 会议 中心 , 英 国诺 丁 电子 邮件 s . f o s t e r b g s a c u k 汉 费用 3 3 0 英 镑 联系』 、 及地址 Dr S t e p h e n F o s t e r ,e / o C o n f e r e n c e No t t i n g h a m 3 0 9 Ha d y n Ro a d,No t t i n g h a m 束珊供端 NG5 1 DG .U K 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆
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