高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)指標(biāo)初探

魏方欣

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

高放廢物主要是指乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體，準(zhǔn)備直接處置（一次通過式）的乏燃料及相應(yīng)放射性水平的其他廢物，除了高放射毒性和釋熱量大兩個(gè)特征外，另一個(gè)顯著特征是壽命極長，其潛在危害持續(xù)時(shí)間達(dá)百萬年之久?！斗派湫晕廴痉乐畏ā泛汀斗派湫詮U物安全管理?xiàng)l例》要求對此類廢物實(shí)施集中的深地質(zhì)處置（深度一般為500～1000 m）。如何確保處置安全評價(jià)的可信性是開展高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)需要解決的關(guān)鍵問題之一。選擇適宜的評價(jià)指標(biāo)是解決方法之一。國際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）、國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和一些國家建議在長時(shí)間尺度上使用不包括生物圈和人類行為等信息的濃度、通量和特定時(shí)間等評價(jià)指標(biāo)［1－2］。本文基于對評價(jià)指標(biāo)國際研發(fā)情況的介紹和對輔助指標(biāo)選取及其與安全之間關(guān)系的重點(diǎn)探討，針對我國高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)指標(biāo)體系的建立提出建議。

1 地質(zhì)處置安全評價(jià)的長期性和輔助指標(biāo)的研發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)《放射性廢物安全管理?xiàng)l例》規(guī)定，放射性廢物的安全管理堅(jiān)持“妥善處置、長久安全”的原則。放射性廢物處置的長久安全最終體現(xiàn)為對人員的照射劑量保持在規(guī)定的可接受水平之內(nèi)。ICRP和IAEA建議高放廢物地質(zhì)處置的劑量約束值為0.3 mSv／a，可視為對地質(zhì)處置安全可接受水平的共識(shí)［3］。人員受照劑量的計(jì)算涉及廢物的放射性源項(xiàng)、人員受照途徑和人員輻照效應(yīng)等信息，由于這些信息的不確定性，造成安全評價(jià)結(jié)果的可信水平隨時(shí)間遞減。為此，國際上一般采取盡可能全面地分析系統(tǒng)的演化情景和使用不含或少含不確定性信息的評價(jià)指標(biāo)等方法解決安全評價(jià)結(jié)果的可信性問題。前者可以通過采用系統(tǒng)的景象開發(fā)方法實(shí)現(xiàn)，而后者則考慮應(yīng)用濃度、通量和特定時(shí)間等不含生物圈信息的評價(jià)指標(biāo)［2］。

ICRP認(rèn)為，對于長壽命放射性廢物，處置遙遠(yuǎn)未來時(shí)期的評價(jià)，劑量約束應(yīng)被視為一種參考水平，而不是表征處置安全水平或判斷其是否符合規(guī)定的安全要求的指標(biāo)［1］。IAEA對除劑量之外的評價(jià)指標(biāo)及其在不同時(shí)間框架內(nèi)的適用性進(jìn)行了專門研究（圖1），并建議使用濃度、通量等評價(jià)指標(biāo)提高評價(jià)結(jié)果的可信水平［2］。一些國家已經(jīng)開始關(guān)注此類指標(biāo)在高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中的應(yīng)用，并在制定的高放廢物處置相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中對地下水、地表水、土壤等載體中的放射性水平和特定核素的濃度提出具體要求［2］，見表1。

圖1 安全指標(biāo)等級(jí)

表1 已有的評價(jià)指標(biāo)a

3 評價(jià)指標(biāo)的選取和評價(jià)指標(biāo)體系的建立

3.1 評價(jià)指標(biāo)的選擇

表1列出了可用于高放廢物地質(zhì)處置長期安全評價(jià)的安全指標(biāo)和性能指標(biāo)。這些指標(biāo)與處置設(shè)施安全水平之間的聯(lián)系與如何選擇更適宜的評價(jià)指標(biāo)是建立評價(jià)指標(biāo)體系需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。根據(jù)IAEA的定義，評價(jià)指標(biāo)為任何度量處置系統(tǒng)執(zhí)行其安全功能的能力的特性或后果［2］，包括：可直接測量的處置系統(tǒng)的特性；根據(jù)對處置系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)獲得的特性；通過對處置系統(tǒng)長期演化的計(jì)算得到的特性或后果等。同時(shí)，評價(jià)指標(biāo)還應(yīng)允許與一個(gè)安全相關(guān)的數(shù)值或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及不同方案之間的比較，并能夠利用性評價(jià)模型或其他分析方法計(jì)算相應(yīng)的數(shù)值。

生物圈載體（包括土壤、地表水和空氣等）中的核素濃度（包括活度和總量）更適于作為地質(zhì)處置長期安全評價(jià)的安全指標(biāo)。濃度通常針對單個(gè)核素，而要獲得一個(gè)與安全直接相關(guān)的綜合度量需要選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)重分配體系對所有核素加權(quán)求和，如個(gè)人有效劑量通過劑量轉(zhuǎn)換因子納入所有相關(guān)核素的貢獻(xiàn)，而放射毒性濃度的獲得則是利用ICRP推薦的核素?cái)z入劑量系數(shù)對所有核素濃度的貢獻(xiàn)加權(quán)求和［8］。

除了可以減少評價(jià)結(jié)果中的不確定性，利用生物圈載體中的放射毒性濃度作為安全指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)還有：（1）廢物體內(nèi)的放射性核素從處置系統(tǒng)的工程屏障中釋放到巖石圈或生物圈中，與同處于巖石圈地下水或生物圈地表水中的天然放射核素所處的物理和化學(xué)環(huán)境相同，分析其中天然放射性核素的行為也有助于了解釋放核素在巖石圈、生物圈中的遷移機(jī)制；（2）來自處置庫的放射性核素作為原有天然放射性核素的增量進(jìn)入其所處的環(huán)境，改變了環(huán)境中的天然放射性核素濃度和放射性水平，對地質(zhì)環(huán)境和生物圈環(huán)境帶來影響，了解和量化這種影響，有助于真實(shí)評價(jià)特定場址中高放廢物處置系統(tǒng)的安全水平。

性能指標(biāo)可以由核素在特定屏障中的行為獲得：（1）屏障中有害物（放射性核素、放射毒性和放射性活度等）的總量；（2）來自屏障的有害物通量；（3）來自屏障的有害物總量；（4）屏障中的有害物濃度；（5）有害物穿過屏障的時(shí)間。如圖2所示。

3.2 應(yīng)用濃度等評價(jià)指標(biāo)面臨的問題和挑戰(zhàn)

雖然使用濃度、通量和特定時(shí)間等指標(biāo)有助于減少地質(zhì)處置安全評價(jià)結(jié)果的不確定性和提高安全評價(jià)結(jié)果的可信水平，但也面臨以下問題和挑戰(zhàn)。

圖2 處置系統(tǒng)性能指標(biāo)

（1）缺少對指標(biāo)與人員健康和環(huán)境安全相關(guān)性的認(rèn)識(shí)。有效劑量與人體健康直接相關(guān)，其限值具有廣泛的國際認(rèn)同，但核素濃度、通量等指標(biāo)與安全之間并無直接相關(guān)性，缺少量化的安全標(biāo)準(zhǔn)。

（2）利用天然核素的濃度水平或天然放射性水平作為安全參考值的科學(xué)基礎(chǔ)尚存疑問：天然輻射水平是否與安全水平對等；有些人工放射性核素在自然界中不存在，無法據(jù)此確定相應(yīng)的安全參考值；生物圈載體中的核素濃度等指標(biāo)不包含生物圈的信息，但其安全參考值的獲得需要預(yù)測人員在生物圈中的受照路徑，如芬蘭監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的特定核素濃度約束值的獲得考慮了已有的劑量約束值和對生物圈中人員受照路徑的假設(shè)等信息［2］。

3.3 我國地質(zhì)處置安全評價(jià)指標(biāo)體系的建立

目前，評價(jià)指標(biāo)在我國的應(yīng)用是高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)研發(fā)過程的第一個(gè)關(guān)節(jié)控制點(diǎn)，并已引起廣泛關(guān)注［3，9］。結(jié)合我國高放廢物地質(zhì)處置的研發(fā)現(xiàn)狀和評價(jià)指標(biāo)應(yīng)用的介紹與探討，建議我國在高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中考慮應(yīng)用表2中的輔助指標(biāo)，并隨著認(rèn)識(shí)的深入和場址調(diào)查工作的進(jìn)一步開展，將這些評價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)在高放廢物地質(zhì)處置的安全標(biāo)準(zhǔn)中。

關(guān)于安全指標(biāo)的參考值，生物圈水域中的放射毒性濃度和來自巖石圈的放射毒性通量，可根據(jù)處置庫特定場址中與處置庫安全相關(guān)的天然放射性核素的濃度確定（包括U、Th天然衰變鏈和40K、87Rb等），相應(yīng)的公式為：生物圈水域中的放射毒性濃度（Sv／m3）＝ ∑j核素j的放射毒性濃度（Sv／m3）＝∑j核素j的活度濃度（Bq／m3）× 攝入劑量系數(shù)（Sv／Bq）＝ ∑j元素（j）的質(zhì)量濃度（g／m3）× 核素j的豐度 × 核素j的比活度（Bq／g）。根據(jù)歐洲的研究結(jié)果［19］，生物圈水域中放射毒性通量的參考值可選為2.0×10－5Sv／m3，來自巖石圈的放射毒性通量的參考值取為60 Sv／yr。

表2 關(guān)于我國地質(zhì)處置安全評價(jià)指標(biāo)體系的建議

4 結(jié)論與展望

選擇適宜的評價(jià)指標(biāo)是開展放射性廢物處置安全評價(jià)并獲得可信水平較高的評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)。由于高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)的極長時(shí)間尺度所致的對生物圈和人類行為預(yù)測的極大不確定性，只使用有效劑量評價(jià)處置系統(tǒng)在遙遠(yuǎn)未來的性能與安全受到越來越多的質(zhì)疑［10］，而生物圈或處置庫各屏障中的放射性濃度、通量和特定時(shí)間等物理量不包含生物圈演化、人員受照途徑等不確定性較大的信息，且易于為公眾理解和接受，將其作為評價(jià)指標(biāo)用于高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中的做法受到越來越多的關(guān)注，并已在一些國家的法規(guī)和實(shí)踐中得到實(shí)施。

本文介紹了評價(jià)指標(biāo)在國內(nèi)外高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中的應(yīng)用和研發(fā)狀況，對生物圈載體中放射毒性濃度、通量等指標(biāo)與安全的相關(guān)性及其應(yīng)用中所面臨的問題進(jìn)行了探討，并建議我國在高放廢物地質(zhì)處置安全評價(jià)中考慮應(yīng)用放射毒性濃度和通量、各屏障內(nèi)外的核素總量、屏障內(nèi)水域中的濃度和通過屏障的通量與時(shí)間等指標(biāo)。針對此類指標(biāo)應(yīng)用中存在的問題，在未來的工作中應(yīng)重點(diǎn)研究建立輔助指標(biāo)與人員健康和環(huán)境安全之間的關(guān)系，如日本在地質(zhì)處置安全評價(jià)的實(shí)踐中利用世界衛(wèi)生組織制定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)作為核素濃度的參考值進(jìn)行處置庫安全判斷是有益的嘗試。

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