法國泥巖中的高放廢物候選處置庫場址Cigéo

徐國慶

（核工業(yè)北京地質研究院，中核高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029）

法國泥巖中的高放廢物候選處置庫場址Cigéo

徐國慶

（核工業(yè)北京地質研究院，中核高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029）

為了便于對比研究，我國高放廢物地質處置的處置庫圍巖，除選擇花崗巖外，還對黏土巖進行了研究，這項工作雖起步于20世紀80年代中葉，但當時未得出我國在黏土巖中建造處置庫可行性的確切結論。近年來，我國再度啟動黏土巖中高放廢物處置庫場址的選址工作，以查明我國在黏土巖中建庫的可行性。

國外有些國家，如比利時和法國等，對此領域進行過多年的研究，并取得了一些十分可喜的成果，主要介紹位于黏土巖中的法國Bure URL和以此為基礎發(fā)展起來的Cigéo候選處置庫場址的選址工作，包括選址歷程、場址推薦理由、Bure URL概況、候選處置庫設計方案、今后法國在此領域的研發(fā)工作規(guī)劃和筆者的幾點認識。按現(xiàn)規(guī)劃，Cigéo處置庫將于2018年開始建造，2025年開始運行。

高放廢物；處置庫場址預選；巴黎盆地；Bure URL；Cigéo候選處置庫場址

根據(jù)我國在2006年由原國防科工委、科技部和原國家環(huán)保總局聯(lián)合發(fā)布的《高放廢物地質處置研究開發(fā)規(guī)劃指南》的精神，我國的高放廢物地質處置庫的圍巖，除花崗巖外，還應考慮黏土巖作為處置庫圍巖的可能性［1］。據(jù)此，我國近年來又開展了在黏土巖地區(qū)的處置庫場址預選工作。通過初步研究，有關單位提出了一些有利的工作地區(qū)［2-3］。為了配合此項研發(fā)工作的更好開展，介紹了法國的Bure地下實驗室（Bure URL）和候選高放廢物（HLW）處置庫場址Cigéo的選址情況，以供對比研究之用。由于后者是在前者研究的基礎上發(fā)展起來的，所以首先介紹Bure URL的情況，然后再介紹世界上第1個位于黏土巖中候選HLW處置庫場址Cigéo的情況。

1999年11月，法國國家放射性廢物管理機構（ANDRA）在巴黎東約200 km處的Bure鎮(zhèn)（Commune）開始建造一個URL，目的是試圖論證在泥巖中建造高放和長壽命中放廢物處置庫的可行性。Bure鎮(zhèn)位于URL北部約2 km處，因此該URL被稱為Bure URL。但該URL的北部為默茲行政區(qū)，南部為上馬恩行政區(qū)，URL位于這兩個行政區(qū)的接壤處，因此該地下實驗室又被稱為默茲/上馬恩URL，Bure位于默茲的行政區(qū)內(nèi)（圖1）［4］。

1 選址歷程

法國在高放廢物處置的研發(fā)過程中有3個基本法案：即有關放射廢物管理研究的1991-1381號法案［5］、有關放射性材料和廢物管理的2006-739號規(guī)劃法案［6-7］以及有關核領域的透明度和安全性的2006-686號法案［8］。

根據(jù)1991年法案精神，法國號召各社區(qū)進行自愿選址工作，此時有30個社區(qū)表示愿意接受在自己社區(qū)范圍內(nèi)進行選址工作。在此基礎上，政府選擇了下列4個地區(qū)作為URL的預選場址：Vienna預選場址（花崗巖，在法國西部）、加爾預選場址（黏土巖，在法國南部）以及默茲和上馬恩預選場址（泥巖，在法國東部），因為后兩者在地理位置上相距很近，同時又是同一種巖石類型，所以后來統(tǒng)稱為Bure預選場址。1994～1996年，對上述3個預選場址進行了大量研究工作，隨后于1996年提出了對這些場址進行URL建造和運行的申請，1997年為它們舉行了公眾聽證會。后來發(fā)現(xiàn)Vienna預選場址不僅公眾反對，同時也不符合未來廢物處置的容量要求，加爾預選場址也由于政治上的原因未被政府采納，最后于1998年末，政府決定把Bure作為URL正式場址，于是在1999年11月開始建造Bure URL［9］。

在建造Bure URL之前，1994～1996年ANDRA對該場址進行了大量地質、地震地質、水文地質、地球物理、巖石力學和地球化學等方面的研究工作，并根據(jù)這些研究工作選定了Bure URL場址［4］。

地質研究方面，首先對場址進行了地質填圖，然后施工了深度不等（102～1 101 m）的7個巖心鉆孔，再對場址的深部地層進行了特性評價，認為場址附近的地層層位穩(wěn)定，欲建造URL的Callovo-Oxfordian層位有一定厚度，且埋深較大。

地震地質方面，查明距場址最近的地震帶在場址50 km以外，場址區(qū)內(nèi)無明顯地震。

水文地質方面，通過地表井、泉的調查研究和深部鉆孔中地下水的觀察和分析，認為擬建URL的Callovo-Oxfordian泥巖及其上、下圍巖皆不含水，只有Bure URL場址西側的Barrois灰?guī)r含水，經(jīng)鉆探證實，它對該場址不發(fā)生影響。作為URL的圍巖-泥巖，其本身的滲透率甚低，為10-13～10-11m/s。

地球物理工作主要是進行地震剖面測量。一方面是利用該地區(qū)已有的68個石油鉆井資料，收集和研究了1 300 km長的地震剖面；同時在場址附近進行了長達14.9 km的2D地震測量。測量結果表明：在預選的Bure URL場址范圍內(nèi)無明顯的活動斷裂存在，雖場址四周被斷裂所圈閉：東部為Gondrecourt-le-Chateau斷裂，南部為維特爾斷裂，西部為馬恩斷裂，北部為Aulnois Saint-Amand構造（該構造只使地層產(chǎn)生輕微傾斜），但這些斷裂，據(jù)查證，不是發(fā)震構造。

巖石力學方面，為了查明地下工程開挖的可行性，進行了有關巖石力學參數(shù)的測定。研究結果表明：巖石的力學性質適宜于建造URL。

地球化學方面，查明了泥巖中含有大量黏土礦物，屬伊利石-蒙脫石系列，其中蒙脫石對放射性核素具有很好的吸附能力。

ANDRA的上述研究工作，既為Bure URL的選址工作奠定了基礎，也為候選處置庫場址Cigéo的選址工作提供了寶貴資料。

《Dossier 2005》是法國從執(zhí)行1991年法案以來，在15 a的時間里對HLW處置研發(fā)領域各方面研究成果的匯總，出版了多冊專輯，談及與處置系統(tǒng)性能評價有關的各類問題，資料極為豐富，但討論的核心問題仍是在泥巖中建造處置庫的可行性［10-14］。

2006年，Dossier 2005通過了OECD/NEA專家評審團的評審［15］。

隨著研發(fā)工作的進展，法國國會開始討論有關法規(guī)問題，并于2006年6月28日公布了規(guī)劃法案，這是法國第2個核廢物管理的重要文件。

2007 ～2008年，為了了解深部地質情況（如巖石的力學穩(wěn)定性、巖石開掘的可行性、巖石的自愈合作用和核素擴散作用等），ANDRA在推薦的處置庫場址地段，按網(wǎng)格進行了大量鉆探和2D地震測量工作。

ANDRA為了確定處置庫的最終場址，根據(jù)國際輻射防護委員會提出的輻射防護最優(yōu)化原則和考慮到處置庫的建造與運行情況，對重要地段進行了詳勘（Zone d’intérêt pour la reconnassiance approfondie，ZIRA）工作。

2009年3月，根據(jù)研究和公眾長期討論結果，政府批準了ANDRA關于推薦Bure URL和處置庫場址的建議，這也為緊隨其后的處置庫候選場址Cigéo的選址工作作了很好的鋪墊。

綜上所述，法國在選址方面，除進行技術工作外，還積極吸收公眾參與。在自愿選址方面，與芬蘭、瑞典等國一樣［16］，做了不少工作，因而選址工作進行得較為順利［9］。

2 場址推薦理由

2.1 區(qū)域地質背景

巴黎盆地位于法國的中北部，盆地底部為古生代基底，其蓋層由下而上依次發(fā)育二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第三紀地層。這些地層在東部發(fā)育較全，且呈環(huán)帶狀分布（圖1）［4］。Bure URL在巴黎東偏南方向約200 km處，位于上侏羅系的Callovo-Oxfordian泥巖建造中，產(chǎn)狀近水平（向盆地中心傾，即向W傾1°～1.5°），其成巖年齡為155Ma。在URL場址處，泥巖埋深420～550 m，厚130 m。其上覆地層為Oxfordian灰?guī)r，埋深150～400 m，下伏地層為Dogger灰?guī)r和白云質灰?guī)r。特別要指出的是，無論是Oxfordian灰?guī)r，還是Dogger灰?guī)r，在本地區(qū)皆不含水［17］，含水的、喀斯特發(fā)育的灰?guī)r（Barrois灰?guī)r的近地表部分）只見于場址外圍西側，形成地表含水層，厚僅25m左右，它在URL場址處未見該透水層出露，見到的是Barrois灰?guī)r的下部地層，它與下伏泥巖相隔400m，有不透水的灰?guī)r隔擋（表1和圖2）［4］。

圖2中的水平與垂直比例尺為1∶5，因而地層的傾角放大了5倍，實際的地層傾角比它小5倍。

泥巖礦物組成：黏土礦物為40%～45%，碳酸鹽礦物為20%～30%，石英和長石為20% ～30%，有機質為0.4%～1%。

Callovo-Oxfordian泥巖的主要特點見表2［17］。

2.2 推薦理由

根據(jù)多年來所獲得的研究成果，ANDRA推薦Bure URL場址和候選處置庫場址Cigéo的理由可大致歸納如下［18-19］：

（1）區(qū)域地殼穩(wěn)定，地震活動概率甚低。由圖3可見，URL場址附近無歷史地震和現(xiàn)代地震發(fā)生，地震較活躍的地區(qū)在場址50 km以外，場址外圍的北部和東南部地區(qū)地震較活躍，在1682年和1984年曾發(fā)生過中等強度的地震［4］。雖然該場址外圍有一定強度的地震活動，但ANDRA還是選擇了它。

（2）場址范圍內(nèi)活動構造不發(fā)育。由圖1可見，區(qū)域上斷裂多沿巴黎盆地邊緣分布。如上所述，在場址外圍雖有多個斷裂（圖1），但這些斷裂并不是發(fā)震構造，在歷史上并沒有明顯的地震發(fā)生（圖3）。

（3）在泥巖中建造處置庫具有一些有利條件。

①處置地段的泥巖滲透率甚低。通常泥巖本身的滲透率就不高，再加上該巖層位于地下深處420～550 m，這樣巖石經(jīng)上覆巖層壓實后變得更加致密，孔隙率也隨之降低，因而導致泥巖的滲透率更低（表2）。②泥巖的上、下圍巖也不含水。泥巖的上、下圍巖雖為易溶的碳酸鹽類巖石，但在當?shù)夭缓?，這一點對選擇處置庫場址是至關重要的。③由于泥巖的滲透率和擴散性能甚低，加上其上、下圍巖不含水，因此在周圍巖石中的地下水循環(huán)速度也很緩慢，所以在處置庫場址范圍內(nèi)不存在重要的水循環(huán)體系。④泥巖對核素具有很好的吸附性，并且對裂隙構造有自愈合作用。⑤地層產(chǎn)狀平緩而穩(wěn)定。在場址幾十公里范圍內(nèi)，在水平方向上，地層產(chǎn)狀十分平緩而穩(wěn)定，且?guī)r性均一。⑥巖石的力學性質能滿足地下工程開挖的需要。⑦泥巖對工程內(nèi)的工程材料（如水泥、混凝土和金屬材料等）影響甚小，這部分地有利于處置系統(tǒng)的安全性和運行上的可逆性。⑧由于處置地段泥巖埋深較大，這樣可有效防止或減少各種人為的入侵。

（4）該地及其附近無潛在可利用的資源（如油、水、礦藏和地熱資源等）。

3 Bure URL概況

3.1 地下工程

Bure URL場址的地質概況已在上述的區(qū)域地質背景中論及，故不再在此贅述。

URL的地下工程中有2個豎井：入口主豎井和通風用的輔助豎井，井深500 m，但前者直徑為5 m，后者為4 m。實驗中段在445m和490 m之間（圖4）［19］。

3.2 主要研發(fā)內(nèi)容

該URL的研究工作主要包括以下4方面內(nèi)容［18］：（1）獲取有關廢物包、材料性狀和當?shù)啬鄮r特性等資料；（2）處置庫設計，廢物整備，處置庫結構與整合，運行模式和可逆性研究；（3）處置庫長期性狀分析和熱-水-力-化學耦合作用的演化模擬；（4）處置庫的長期安全分析。

該URL目前只計劃進行冷試驗，不進行熱試驗工作。

4 處置庫設計方案

這個候選處置庫取名為“Cigéo”（Centre Industriel de Stockage Géologique，地質處置庫工業(yè)中心）。

圖5示出了“ZIRA”研究時所推薦的Bure URL和Cigéo候選場址的位置［9］。

處置庫的地下面積為30 km2，位于Bure URL及其附近。2006年與利益相關者討論時曾提出地表設施與豎井相連接的方案是采用一個長為5 km，坡度為10%的斜道，這樣處置庫地表設施的主要建筑（如廢物接收站、控制室和廢物包整備等設施）與處置庫的主要豎井位置相距達5 km（圖6），但此方案要在公眾討論會之后才能最后確定。

處置庫有4個豎井，井深500m，豎井的內(nèi)徑分別為11.5 m（如運送廢物包的豎井）、10 m（如通風用豎井），以及6.5 m（如運送人員用的豎井）。這里的豎井除中間一個矩形主罐籠和其兩側設有兩個平衡設施外，還有一個輔助罐籠［11］。

廢物采用水平處置法，把不同類型的廢物分別處置在處置庫的不同處置地段（圖7）。該圖中的B型廢物為不發(fā)熱或微發(fā)熱的廢物，C型廢物為強發(fā)熱的廢物，C0型廢物為中等發(fā)熱的廢物［11］。

處置工程設計在泥巖厚度（130 m）的1/2處，這樣除去工程自身所占的空間外，工程上、下圍巖（天然屏障）的厚度僅有60 m?；谀鄮r厚度有限，且其上、下圍巖又都是碳酸巖地層，因此采用水平鉆孔處置方案，即在主坑道側面打直徑為70 cm，深為40 m的水平鉆孔，利用機器人把裝有玻璃固化體的不銹鋼廢物桶，通過陶瓷導軌，推入已打好的鉆孔中，在廢物桶與孔壁之間插入鋼質屏障。對中放長壽命廢物的處置較為簡單，把廢物包直接疊放在坑道中。

這個處置庫設計方案的特點是：（1）處置對象不僅有高放廢物玻璃固化體和乏燃料，同時還有中放長壽命廢物；（2）廢物處置采用可回取方案和可逆性的運行機制，廢物在處置庫中回取前的儲存時間至少為100 a；（3）由于泥巖對核素的高吸附性和處置工程上、下60 m厚的天然屏障（泥巖）的存在，因此在HLW廢物包外不設置工程屏障，而對中放長壽命廢物則直接疊放在坑道中；（4）處置庫入口工程的初步方案，與瑞典KBS-3方案的螺旋狀斜井＋垂直豎井不同［20］，也與加拿大AECL提出的用單一垂直豎井的方案不同［21］，而地下工程是通過坡度為10%的長5 km的斜道由地表引入（圖5）［12］。

5 今后計劃

根據(jù)2011年的資料［9］，今后法國高放廢物處置的研發(fā)工作規(guī)劃大致如下：2012年下半年，公眾討論處置庫設計方案；2013年，處置庫地表和地下設施位置的最終選定；2014年下半年，提交建造處置庫的申請；2015年，國家有關當局評審申請；2016年，國會討論廢物處置的可逆性問題；2017年，公布申請執(zhí)照；2018年，開始建造處置庫；2025年，根據(jù)2006年的規(guī)劃法案，接受第1批廢物包。

6 幾點認識

（1）根據(jù)已有的研究資料，法國認為Cigéo場址作為候選場址是適宜的：那里發(fā)生地震的頻率甚低，為穩(wěn)定地區(qū)；地層為海相沉積物，層位穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩，沒有受到后期構造的明顯破壞；處置層埋深420～550 m，厚130m，不透水，其上、下圍巖雖為易溶的碳酸鹽類巖石，但也不含水，這是難得的自然條件；泥巖在核素吸附、水文地質和工程地質條件方面都能滿足今后處置庫建庫的安全要求。

（2）從目前法國高放廢物地質處置研發(fā)工作的實際情況來看，Bure URL是向特定場址URL方向發(fā)展，它將起到特定場址URL在最終確定處置庫場址適宜性和論證廢物處置方案方面的獨特作用。

（3）法國在自愿選址方面，與芬蘭、瑞典等國相似。筆者認為，他們的選址工作是以相關的國家法規(guī)為指導，以公眾參與為基礎，以政府決策為主導的思想路線進行的，因而選址工作進行得較為順利。法國還專門成立了全國公眾討論會委員會（National Commission for Public debate，CNPD）［19］，這說明法國對公眾參與的重視。

（4）法國重視核廢物處置的可逆性和可回取性，除美國外，在法國這種處置方案也得到了充分考慮，且努力付諸實施，并提出核廢物在處置庫至少要存放100 a的時限。我國如何面對這類重大戰(zhàn)略性問題，還有待研究。

（5）處置庫圍巖的選擇，應是場址選擇工作的一部分，并以選址導則來指導圍巖的選擇工作。這方面，法國已有的經(jīng)驗值得我們借鑒。

（6）希望我國在研究此領域時，除陸盆外，還需注意一下海盆。另外，還請注意一下盆底的基底構造和蓋層的切盆構造，以便更好論證預選的處置庫場址的構造穩(wěn)定性問題。

［1］國防科工委，科學技術部，國家環(huán)?？偩?高放廢物地質處置研究開發(fā)規(guī)劃指南［EB/OL］.北京：國防科工委辦公廳，2006［2012-12-11］.http://www.caea.gov.cn/n16/n1130/n77194.files/n77193.doc.

［2］劉曉東，劉平輝，王長軒，等.高放廢物黏土巖處置庫場址預選研究［C］//第3屆廢物地下處置學術研討會論文集.杭州：中國巖石力學與工程學會廢物地下處置專業(yè)委員會.2010: 117-127.

［3］劉曉東，劉平輝.巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)黏土巖基本特征研究［C］//第4屆廢物地下處置學術研討會論文集.北京：原子能出版社：第4屆廢物地下處置學術研討會論文集編委會.2012：50-58.

［4］ANDRA.State of knowledge and experimental program［R］.Paris:ANDRA，1997.

［5］Law No.91-1381 of 30 December 1991 Relating to research on radioactive waste management［EB/OL］. ［2012-12-05］.http://www.francenuc.org//en_chn/ irr_fue12_e.htm.

［6］Consolidated version of planning Act No.2006-739 concerning the sustainable management of radioactivematerials and waste［EB/OL］.［2012-05-10］.http://www.andra.fr/publication/produit/loi-VA-12122006.

［7］ANDRA.High-level radioactive wastemanagement，The French case—The 2006 planning act［EB/OL］. ［2012-05-10］.http://www.lboro.ac.uk/departments/ cm/research/LTNWM/High%20level%.

［8］Act NO.2006-686 of 13 June 2006 on transparency and security in the nuclear field［EB/OL］.［2012-05-10］.http://www.french-nuclear-safety.fr.

［9］Marie-Claude Dupuis，F(xiàn)abrice Boissier，Thibault Labalette，et al（ANDRA）.Radioactive waste disposal within a clay environment：the French Experience［C］//Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，New Mexico.USA:April 10-14，2011:433-439.

［10］ANDRA.Dossier 2005 argile：Evaluation of the feasibility of a geological repository in an argillaceous formation［EB/OL］.［2012-05-10］. http://www.Andra.fr/interne.php3?d_rubrique=161.

［11］ANDRA.Architecture et gestion du stockage géologique，Dossier2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［12］ANDRA.évaluation de s?retédu stockage géologique，Dossier2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［13］ANDRA.évolution phenoménologique du stockage géologique，Dossier 2005 argile［R］.Paris:ANDRA，2005.

［14］ANDRA.évaluation de la faisabilitédu stockage géologique en formation argileuse profonde-Rapport de synthèse［R］.Paris:Andra，2005.

［15］OECD/NEA.Safety of geological disposal of highlevel and long-lived radioactive waste in france:An international peer riview of the‘Dossier 2005 argile’concerning disposal in Callovo-Oxfordian formation，OECD/NEA［EB/OL］.［212-05-10］.http: //www.new.fr/htm l/rwm/reports/2006/nea6178-argile. pdf.

［16］Sébastien Farin，Gérald Ouzounian（Andra）.Public involvement and site selection of a deep geological repository［C］//Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，April 10-14，2011，New Mexico，USA，Illinois.USA:American Nuclear Society，2011:160-165.

［17］Jean-Louis Gaussen.French URL project context，schedule and contents，WM’02 Conference，F(xiàn)ebruary 24-28，2002，Tucson［EB/OL］.［2012-06-10］.http://www.wmsym.org/archives/2002/ Proceedings/59/579.pdf.

［18］The Meuise/Haute-marne underground research laboratory（MHM URL）:a scientific tool［EB/OL］. ［2012-06-10］.http://www.andra.fr/download/andrainternational-en/document/editions/.

［19］Delay J.Overview of the current and planned activities in the French underground research laboratory at Bure［EB/OL］.［2012-06-10］.http:// www.eruronuclear.org/events/topsea/transactions/Paper -Session-Ⅳ-Delay.pdf.

［20］Claes Thegerstr?m，Olle Olsson（SKB）.The license application for the KBS-3 system—A milestone for the Swedish spent fuel disposal program［C］// Proceedings of the 13th International High-level Radioactive Waste Management Conference，April 10-14，2011，New Mexico，USA，Illinois.USA：American Nuclear Society，2011:184-192.

［21］Bonin H W，Bui V T，PagéD，et al.（Royal Military College ofCanada）.Polymer compositewaste containers for the ultimate disposal of radioactive ［C］//Proceedings of the 13th International Highlevel Radioactive Waste Management Conference，New Mexico，USA，April 10-14，2011，Illinois. USA:American Nuclear Society，2011:70-77.

Candidate HLW repository site Cigéo in argillite in France

XU Guo-qing
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

For the purpose of comparative study on the selection of host rock of HLW repository in China，it is necessary to study clay rock except granite.Although some project was launched in the middle of eighties of the last century，but exact result about the feasibility of repository construction in clay rock was not given.In the recent years the repository site selection in clay rock has been started once again in order to find out the feasibility to construct repository in it.This kind of research work has been performed formany years in some foreign countries and a good achievement is obtained，for example，in Belgium，F(xiàn)rance etc.In this paper the site selection of Bure URL and Cigéo candidate repository which is planned on the basis of expansion of Bure URL located in French argillite is presented.The progress of site selection，reasons for site recommendation，a summary description of Bure URL and a concept design of candidate repository，a future plan for R&D and some author’s considerations are stated here.In accordance with the present project，the repository Cigéo will begin to construct in 2018 and to operate in 2025.

high-level radioactive waste；selection of repository site；Paris Basin；Bure underground research laboratory（URL）；candidate repository site Cigéo

TL942＋213

A

1672-0636（2013）03-0159-09

2013-03-27

徐國慶（1932—），男，浙江舟山人，高級工程師（研究員級），主要從事鈾礦地質包裹體及核廢物處置研究工作。E-mail:xuguoqing@126.com

10.3969/j.issn.1672-0636.2013.03.007