问答:如何处理英国的核废料?

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英国积累了大量中、高放射性核废料,这些废料目前被保存在设计使用年限为100年的地面储存设施中。然而,在某种程度上,这些废物需要找到一个安全、永久的归宿,而深度地质处置(GDF)设施被认为是最可行的选择。工程师征求了该领域专家的意见,以讨论有关核废料处理的问题。

见见专家

——布鲁斯·凯恩斯放射性废物管理(RWM)的首席政策顾问,RWM是英国政府成立的公共组织,负责规划和提供地质处置

亚当·西姆斯博士放射性废物顾问莫特·麦克唐纳

Tim Marshall博士-核安全检查员和ONR地质处置负责人

尼尔·凯悦FRSC -谢菲尔德大学核材料化学教授

约翰•Grimsich深层隔离科学主任

一旦建成,GDF将在原地停留数千年。建造和运营这样一个设施的主要工程挑战是什么?

公元前:建设一个具有全国意义的基础设施项目自然会面临重大的工程挑战。我们必须设计、建造和运营这个设施,在很长一段时间内保护人类和环境,直到废物自然腐烂,不再有害。另一项挑战是,我们将同时建造和填土,这意味着在废物安置作业期间,设施将继续进行地下建设。这将需要创新的工程解决方案来安全地运行这些并行活动。因此,建设和运营计划(取决于位置、场地特定特征和最终的废物清单)将在数十年内制定,并成为我们方法的一部分。

英国的中、高放射性核废料目前存放在地面。图片来源:stock.adobe.com

作为:这是一个高度复杂的过程,在整个GDF生命周期中进行审查,以制定一个特定于现场的概念,考虑安全、保障、社区参与、环境影响、工程可行性、运输、成本和当前和预期废物库存的可弃置性。设计和运行GDF的主要挑战是有效的知识转移,同时与跨广泛领域的大型多学科团队合作,以便在明确规定的时间尺度下设想和实施理论概念。在每个阶段,废物都必须安全隔离,最大限度地缩短障碍分解和关闭后与环境和人的最终相互作用之间的时间。从目前在实施方面领先于英国的国家(如芬兰)吸取的经验教训可以让我们更全面地了解GDF整个生命周期的挑战。

NH主要的挑战是确保设施关闭后的安全,这需要一个详细和有证据的安全案例,必须预测设施在数十万年的演变,考虑到原子规模的过程,到地表以下的设施深度。在英国的背景下,我们在过去十年中一直在发展安全案例的基础,但它需要根据所选的地点进行详细阐述和调整。

TM:施工期间预计的主要挑战将是管理与地下工程施工和运营有关的常规危险。一旦建成,确保适当的长期稳定性,以及相关的资产管理和地下结构的维护,从工程的角度来看,可能是关键的监管重点领域。

不能保证GDF在被提议的地区会被接受。应该准备什么应急措施?

作为: RWM正在实施一个概念选择过程,以确定许多潜在的地点,以确定未来的GDF,他们评估多个潜在地点的方法为完整的迭代选址过程提供了一些偶然性。他们将需要与社区(当地和区域)合作,提供连续的选择和优化方案,以确保为每个潜在的地点开发和完善“最适合”的处置概念,并将更可取的解决方案发扬开来。目前,主要的应急措施是增加英国基础设施内可用的临时存储容量,在接受GDF解决方案之前保持累积的废物。

TM高活度放射性废物(HAW)目前安全地储存在核场址,并将继续从现有和新的来源积累,在提供最终处置解决方案之前,它将构成持续的风险,需要进行积极管理。ONR同意需要一条安全的永久处置路线来解决这一情况,并支持政府通过地质处置长期管理HAW的政策。

NH:偶然性是持续地表储存,这是目前的做法。从技术上讲,每隔几十年重新包装废物并建造新的商店是可行的。然而,这实际上是在一条永无止境的道路上踢垃圾箱;它将把管理和安全处理废物的成本、风险和责任留给没有从能源生产中受益的后代。一种可能的选择是将GDF建在离岸的海床下,在岸上设置地面设施和接入点,这可能会被认为争议较小,也可能不会。

废物是否可以出口,或者是否可以继续在地面储存,直到其他处理方法可用,例如在棱镜反应堆中?

公元前:除了非常有限的情况外,不允许进口或出口放射性废物,因此我们必须管理自己的废物。虽然目前的储存安排在短期内是安全的,但一些废物仍将具有数千年的放射性。因此,需要一个永久性的处置解决方案,目前没有可行的长期废物管理方案来消除对英国GDF的需求。虽然现在储存的一些材料理论上可以以某种方式重新利用,但我们的大多数放射性废料却不能,而且重新使用这些材料将产生更多需要处理的废物。

除了GDF,还有其他可行的选择吗?

作为:有许多其他的处置方案必须考虑,并应在整个GDF实施阶段进行审查,以确保作出全面的决定。然而,大多数替代处置方案要么目前不太可行,要么在很大程度上被GDF所取代。其中一些选择包括深海处置、俯冲带处置、地面长期储存、岩石熔化、深井注入、冰原处置、甚至太空处置。苏格兰目前倾向于近地表处理,它在较浅的深度上模仿了GDF的概念,这也是一个有利的选择,与GDF相比,它有优点和缺点。英国正在进一步调查短期中间水平废物的近地表处置问题。国际上一致认为GDF是首选的处置方法,大多数核废料产生国家都选择这种方法来安全处置产生热量的放射性废料。因此,从长期来看,目前的选择是近地表处置和地质处置。

NH深层隔离钻孔技术可能适用于英国放射性废物库存的一小部分,如乏核燃料或高水平的玻璃化废物,并且应用于这些和其他潜在的废物可能会产生一些潜在的成本,安全和保障优势。尽管如此,该技术仍处于发展的早期阶段,需要进行更多的全面演示测试,以建立对该方法的信心。但是,这不会改变需要一个地质处置设施来接受英国剩余的中等水平废物库存。

定向钻井深度隔离

总部位于加州伯克利的Deep Isolation公司正在研究GDF的替代品,该公司的定向钻井技术将核废料隔离在地下深处。深度隔离的科学总监约翰·格里姆西奇告诉《工程师》杂志是如何做到的。

国际上的共识是,地质处置是从生物圈中分离中高水平核废料的最安全的长期解决方案。虽然我们相信集中式、开采的GDF是成功且安全的,但Deep Isolation利用定向钻井技术的进步,可以进入更深的地质地层,为传统的开采储存库提供了另一种选择。

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Deep Isolation公司最近完成了一系列的安全计算,用于在1千米深的典型页岩地层中处理压水堆燃料组件。模拟和计算支持这样一个概念,即水平钻孔储存库是大型开采储存库的安全替代方案。模拟了几种破坏情况,包括地震断层破坏储存库和从放置罐意外释放放射性核素。在每一种情况下,安全计算和模拟都表明,主要地质屏障提供了与生物圈的必要安全隔离。

在这些精心瞄准的岩层中,我们创建了1-3公里长的小直径钻孔库,在钻孔的水平部分端对端放置多个核废料罐。储存库保留在已确定的寄主岩层范围内,并被不透水的寄主岩石和上覆岩层隔离。储存库稍微向上倾斜,远离垂直存取孔,将任何由浮力驱动的放射性核素迁移到储存库的死胡同。钻孔储存库可以量身定制,以适应多种废物形式,包括后处理的玻璃化废物、未改变的压水堆和沸水堆燃料组件和国防废物形式。

水平钻孔储存库有很多优点:深度安全;获得更多的地质构造;选址和存储库设计的灵活性;模块化;寄主岩石扰动最小;地下没有人类;更快速的实施;最终,人们的负担能力会更强。水平钻孔储存库的更大范围和更深层的岩层使得储存库可以位于核电站或附近,从而最大限度地减少了长距离运输高水平废物的需要。这可能与新核电站或下一代核电站的选址特别相关,因为需要一个独立的处置计划。 In addition, Deep Isolation’s community engagement program promotes establishing trust and a shared understanding of nuclear waste management. We work with all stakeholders and interested members of the public to create partnerships and build lasting relationships.

我们认为,在地质处置高水平核废料方面有几种负责任的办法。深水平钻孔储存库为大规模集中开采储存库提供了一种优秀的、模块化的和具有成本效益的辅助。