高放废物地质处置库黏土岩场址筛选综述

向龙; 刘晓东; 金建华; 刘平辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503726

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2704-2716 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503726

天文学、地球科学

高放废物地质处置库黏土岩场址筛选综述

向龙 ¹^,² ,
刘晓东 ¹^,^* ,
金建华 ² ,
刘平辉 ¹^,²

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Review of Screening Claystone Sites for High-level Radioactive Waste Geological Disposal Repositories

XIANG Long ¹^,² ,
LIU Xiao-dong ¹^,^* ,
JIN Jian-hua ² ,
LIU Ping-hui ¹^,²

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摘要

泥质岩(黏土岩、页岩、泥岩)作为高水平放射性废物(高放废物)地质处置库有利围岩类型在地质处置库研发领域备受各有核国家关注。当前,中国已步入高放废物地质处置库花岗岩地下实验室建造阶段,为夯实不同围岩类型处置库场址比选基础,系统回顾了黏土岩场址筛选历程和主要进展。结果表明:①黏土岩处置库场址筛选当前仍处于规划选址阶段,内蒙古塔木素预选区推荐的两处预选地段可作为高放、中-低放废物处置库的预选场址;②不同于传统黏土岩围岩,塔木素预选地段目的层为含方沸石、白云石的泥质岩围岩,突显了该类泥岩在工程建造、阻滞核素迁移扩散等围岩特性方面的优势;③开展黏土岩预选地段详细评价并推荐预选场址,加强技术合作与人才培养,是夯实处置库场址比选基础的重要途径和现实要求;④除开展北山地下实验室研发外,应理顺高放废物地质处置管理体制,保证花岗岩和黏土岩围岩两条技术路线的延续性,创新推动高放废物地质处置事业发展。可为推进中国高放废物地质处置事业协同发展,夯实处置库场址比选基础提供指导性意见。

Abstract

Argillaceous rock (clay rock, shale, mudstone etc.) has been considered as favorable host rock types for high-level radioactive waste (HLW) geological disposal, drawing significant attention from nuclear nations in the field of research of geological disposal repositories. Currently, China has entered the stage of constructing granite-based underground laboratories for HLW geological disposal facilities. In order to consolidate the foundation for site selection of disposal facilities for different host rocks in China, the screening process and main progress of clay rock was systematically reviewed. The results show these as follows. The screening of clay rock sites is currently in the planning and site selection stage. Two pre-selected sites recommended in Tamusu pre-selected area in Inner Mongolia could be regarded as pre-selected sites for HLW and medium to low-level waste disposal sites. Different from traditional clay rock, Tamusu mudstone is determined as a new kind of argillaceous rock containing analcime and dolomite. Advantages over engineering construction, preventing nuclide migration and diffusion characteristics are highlighted by Tamusu mudstone. Conducting detailed evaluations on argillaceous pre-selected sections and recommending pre-selected sites, as well as strengthening technical cooperation and talent cultivation, are important approaches and practical requirements for laying a solid foundation for site comparisons. In addition to carrying out researches on Beishan underground laboratory, the management system for HLW geological disposal should be rationalized to ensure the continuity of the two technical routes of granite-based and clay rock based, and to promote innovation development of HLW geological disposal.To provide guiding opinions for promoting the coordinated development of China's HLW radioactive waste geological disposal and consolidating the foundation of site selection for disposal facilities.

Graphical abstract

关键词

高放废物地质处置 / 黏土岩场址筛选 / 塔木素泥岩预选区 / 研究进展

Key words

geological disposal of high-level radioactive waste / claystone site screening / Tamusu mudstone pre-selected area / research progress

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向龙, 刘晓东, 金建华, 刘平辉. 高放废物地质处置库黏土岩场址筛选综述[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2704-2716 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503726

XIANG Long, LIU Xiao-dong, JIN Jian-hua, LIU Ping-hui. Review of Screening Claystone Sites for High-level Radioactive Waste Geological Disposal Repositories[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2704-2716 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503726

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国家“双碳”战略的纵深推进和优化能源结构的迫切需求,为积极安全有序发展核电提供了新的机遇。2025年4月发布的《中国核能发展报告(2025)》蓝皮书指出,截至目前,中国商运核电机组58台、装机容量6 096万kW,核准在建机组44台,装机容量5 235万kW,总规模升至世界第一;预计按照当前的建设速度和节奏,2030年前,中国在运核电装机规模将跃居世界第一,届时核电在运装机达到1.1亿kW^[1]。随着核能利用发展加快推进,随之产生的高水平放射性废物(简称“高放废物”)安全处理与处置相关研发工作显得尤为紧迫,成为确保中国环境安全和核工业可持续发展的重要保障^[2]。

高放废物地质处置是国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,IAEA)和世界各有核国家普遍认同的技术方案^[3]。高放废物地质处置是以放射性核素的包容、阻滞为核心,以多重屏障(主要包括处置库围岩天然屏障,废物体、包装容器和缓冲回填材料构成的工程屏障)为主要手段,以及万年以上公众健康和环境保护为基本安全目标的极其复杂的系统工程^[4]。高放废物地质处置也是目前研究时间最长、可行性最强、安全性最高、最具有工程应用前景的处置方案^[5-6]。地质处置库场址筛选与围岩类型的选择是高放废物地质处置最基础、最重要的研发内容。为此,IAEA、欧盟等国际组织和美国、德国等国家都先后发布了地质处置库选址的标准或安全导则^[7]。从国外主要有核国家研发历程与经验来看,花岗岩与泥质岩是当前作为高放废物地质处置库场址筛选研发程度最深的两类潜在围岩^[5,8]。2006年原国家国防科工委联合科技部、环保部联合颁布的《高放废物地质处置研究开发规划指南》,对开展不同围岩类型场址比选研发工作提出了明确要求;2013年国家核安全局颁布的《高水平放射性废物地质处置设施选址》安全导则,为选择合适的高放废物地质处置设施场址提供了指导和安全要求,也是当前开展高放废物地质处置库场址筛选研发工作的基本遵循。由此可见,开展不同围岩场址筛选及比选,是处置库研发实践的有益经验和国家层面审管决策现实需求所共同决定的,是推进高放废物地质处置事业稳步向前发展的重要基础。

泥质岩(argillaceous rock)包括黏土岩、泥岩、泥质页岩等,相对花岗岩而言,具有含水率和渗透率低、核素吸附性能和化学缓冲性能强等方面的优势^[9-10],是经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-poperation and Development,OECD)核能署(Nuclear Energy Agency,NEA)建议的处置库有利围岩类型^[11]。与花岗岩场址筛选进程相比较,中国泥质岩场址筛选研发工作起步更晚(考虑到习惯用法和文件表述,下文将不同物质组成的泥质岩统称为黏土岩)。为启动高放废物地质处置库黏土岩场址筛选调查工作,2007年8月国家国防科工局批复《高放废物地质处置库围岩-黏土岩预选场址的调查研究》项目研究(简称“第一期黏土岩项目”),其目的是要查明中国是否存在厚层状黏土岩的地质环境,以及查明厚层状黏土岩的区域分布;在以上项目研究成果基础上,为进一步推进高放废物地质处置库黏土岩场址筛选研发工作,2014年12月,国家国防科工局再次批复《高放废物地质处置库西北地区黏土岩地段筛选与评价研究》项目研究(简称“第二期黏土岩项目”)。该项目的完成从技术层面上首次提出了高放废物地质处置库黏土岩预选场址筛选的基本准则;以高放废物地质处置为目的,首次查明了具有一定规模、且适合建造黏土岩处置库的区域分布和基本地质与工程条件。

现回顾中国高放废物地质处置库黏土岩场址筛选研发历程,系统总结黏土岩场址筛选规划选址和区域调查阶段取得的主要成果,提出加快黏土岩场址筛选研发进程建议,以期夯实高放废物地质处置库场址比选基础。

1 国外黏土岩场址及地下实验室研发进展

国际上各有核国家先后对多种处置库围岩类型进行过研究,主要包括花岗岩、泥质岩(黏土岩)、盐岩、火山碎屑岩(凝灰岩)等,花岗岩和黏土岩是当前世界上高放废物地质处置研发最主要的两种围岩类型^[11],已有多个不同围岩类型的高放废物处置研究地下实验室^[2,7]。法国、日本、瑞士等国家已建造了两个或两个以上不同围岩类型的地下实验室,瑞典和芬兰受国土范围内地质条件的限定,选择了花岗岩作为处置库的围岩类型,并建造了花岗岩地下实验室^[12]。比利时、匈牙利、西班牙等国家也先后开展过黏土岩场址筛选与相关研发工作。法国、瑞士两国持续了近30年的研发工作,并通过花岗岩与黏土岩两种围岩类型的比对研究,最终选择黏土岩作为高放废物地质处置库的围岩。目前国际上建造在黏土岩中的高放废物地质处置研究地下实验室主要包括比利时Mol地下实验室^[13]、瑞士Mont Terri地下实验室^[14-15]、法国Center Meuse/Haunt Marn地下实验室^[16]和Tournemire地下实验室^[17]等。

比利时高放废物地质处置库选址工作始于1975年,由于该国国土范围内出露的岩石90%以上是没有完全固结的渐新世Boom黏土,所以该国只能选择Boom黏土作为处置库围岩。Boom黏土层埋深190~290 m,厚度达100 m,产状平缓,上覆岩层为水饱和砂岩层;黏土层构造稳定,断裂构造、褶皱等不发育,被认为具有稳定的地质环境。在比利时推荐的Mol场址范围内,于1980年开始建造Boom黏土层中的HADES(high activity disposal experimental site)地下实验室,也是欧洲最早建造在黏土层的地下实验室,目前仍在开展地质与水文地质特性调查、核素迁移与扩散等研发工作^[13,18] 。

1985年起,瑞士选择花岗岩和黏土岩作为潜在处置库围岩同步开展研究,并建造了位于花岗岩中的Grimsel地下实验室和位于黏土岩中的Mont Terri地下实验室,通过国际合作的形式在两处地下实验室开展了大量的现场试验研究。在1989年发现Opalinus(OPA)黏土岩之前,瑞士放射性废物管理机构(Nagra)认为花岗岩是合适的处置库围岩,随着Mont Terri地下实验室研发计划的深入,逐渐将重点研究由花岗岩转向黏土岩^[19]。OPA黏土岩基本不含水,以黏土矿物为主要物质组分具有很强的吸附性能,并具有微裂隙自愈合的特性。OPA黏土岩层埋深约650 m,厚度约100 m;黏土岩层上覆地层和下伏地层均为渗透性很低的砂岩层,黏土岩层位于阿尔卑斯山脉影响区域的最边缘,地质环境相对稳定。2006年6月瑞士联邦议会通过了由Nagra提交的高放废物深地质处置的可行性研究报告,确定了Zurcher Weinland预选地区的OPA黏土岩是建造高放废物地质处置库的合适围岩。2008年起,瑞士联邦政府主导实施新一轮黏土岩场址筛选工程(sectoral plan deep geological repositories),在瑞士北部推荐了Jura Ost、NordchLagern和ZurichNordost三处高放废物地质处置预选区域,Nagra向瑞士联邦政府建议NordchLagern为最佳处置库场址,预计2045年开始处置库建造,2050年或2060年开始处置库运行^{[14-15,19-20]}。

法国放射性废物管理局(Andra)在开展花岗岩场址筛选和评价基础上,从1992年开展黏土岩处置库选址工作,于1999年初步确认了高放废物黏土岩地质处置库Meuse/Haunt Marn场址。该场址位于巴黎盆地东部的Bure小镇,是目前全球唯一已选定的高放废物地质处置库黏土岩场址,围岩是侏罗纪Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩,成岩时代约160 Ma,黏土矿物以伊利石-蒙脱石为主(含量约40%)、含少量高岭石,其他矿物组成以方解石、石英、白云石为主;黏土岩层埋深为420~600 m,岩层平均厚度为130 m,岩层产状平缓,在100 km²的区域内分布均匀,黏土岩上下层位主要是近水平的石灰岩和泥灰岩。当前Andra已在Meuse/Haunt Marn场址确认了37 km²黏土岩处置库所处的范围,正在实施场址最终确认、处置库设计与建造的Cigeo,该计划正处于审查建造许可申请阶段,预计2035年开始处置第一批放射性废物^[16,21-22]。2025年12月4日,法国核安全与辐射防护局已对Andra提交的建造Cigeo深层地质放射性废物处置库的许可证申请表示赞同。

2 中国黏土岩场址筛选研发进程

2.1 黏土岩区域分布调查

中国高放废物地质处置研究开发工作始于20世纪80年代中期。1985年9月,原核工业部提出了中国高放废物地质处置研究发展计划,组建了以核工业北京地质研究院、核工业第二研究设计院、中国辐射防护研究院、中国原子能科学研究院和东华理工大学(原华东地质学院)为主要成员单位的中国高放废物地质处置研究协调组。1986年起,以核工业北京地质研究院、东华理工大学为主要承研单位在全国范围内开展了高放废物处置库场址筛选-地区筛选-地段筛选3个层面的筛选工作;选择调研了花岗岩、泥质岩、玄武岩和凝灰岩等在内的潜在围岩^[2]。前期研究认为中国花岗岩出露面积广,花岗岩体一般规模较大、完整性较好、含水量少,是高放废物地质处置库合适的围岩类型,并对甘肃北山地区花岗岩体等花岗岩体进行了初步的研究。玄武岩在中国出露面积也很广泛,但由于玄武岩具有原生柱状节理、气孔和孔洞发育,作为处置库围岩是不利因素,对玄武岩仅开展了非常有限的研究。中新生代凝灰岩主要分布在浙江、福建、广东等东南沿海地区,虽然产出的地质条件及凝灰岩本身的特性可以作为处置库的候选围岩,但东南沿海相对发达的经济社会条件则不适宜作为处置库建造的场址;中国岩盐作为重要的矿产资源,集中分布在西南、湖南、湖北、江西和西北等地,岩盐矿体多呈似层状、透镜状,矿层多且矿层薄、单矿层连续厚度很少达到100 m,因此,前期研究认为岩盐不适合作为高放废物地质处置库的围岩。中国辐射防护院等单位曾对西北地区出露的厚层黄土进行过研究,认为中国西北地区第四纪形成的黄土固结程度低、物理力学性能差、渗透性强,也不适合作为处置库的围岩^[23]。

21世纪近20年高放废物地质处置研发经历了3个阶段^[24],遵循“选址—地下实验室—处置库”的“三步曲”式研发战略^[25]。其中,围绕花岗岩围岩,开展了岩石性能^[26-27]、地下水^[28-29]、缓冲材料^[30-31]、核素迁移^[32-33]、环境影响^[34]、地下实验室开挖技术^[35-36]等系统研究和评价。2021年6月17日,甘肃北山花岗岩地下实验室正式开工建设,标志着中国高放废物地质处置工作进入了地下实验室建造及研发阶段,将填补中国高放废物地质处置地下现场研发平台及设备的空白,并有望建成世界一流的高放废物地质处置研究第三代特定场区地下实验室^[37]。北山地下实验室分为地上配套设施和地下主体工程两部分。其中地下实验室主体工程最大埋深560 m,为“螺旋斜坡道-竖井-平巷”结构[图1(a)],采用TBM(tunnel boring machine)(北山1号)开挖实验室主体工程。截至2023年12月,地下实验室主竖井已掘进至590 m;截至2025年12月26日,“北山1号”掘进至7 km,助力北山地下实验室斜坡道贯通[图1(b)]。“北山1号”的掘进成果为地下实验室建设奠定了坚实的开掘技术基础,并积累了宝贵的施工经验,预计在2027年完成北山地下实验室工程建设^[38]。

2006年颁布的《高放废物地质处置研究开发规划指南》明确提出:“在全国其他地区选择另外的预选区,并研究比较不同的围岩类型,完成其他预选地区和围岩类型的预选及推荐工作。”2007年8月,“第一期黏土岩项目”的实施标志着中国除花岗岩以外,启动了其他预选地区和围岩类型预选研发工作。项目调查结果表明:连续厚度大于100 m、岩层产状相对平缓的黏土岩(泥岩、页岩)主要分布在东部沿海地区(山东、江苏、浙江),中部地区(安徽、湖北、江西)、西南地区(广西)、西北地区(青海、内蒙古、甘肃、新疆)和东北地区(黑龙江、吉林、辽宁)等。参考IAEA、法国和瑞士有关黏土岩处置库场址筛选准则,并结合中国泥质岩产出的地质背景与条件^[2,22,39],项目的实施也从技术层面提出了高放废物地质处置库黏土岩场址筛选的基本准则。考虑到东部地区经济社会相对发达、人口密度高,对建造高放废物地质处置库是不利的因素,建议黏土岩处置库场址的筛选应重点放在西北地区。同时,研究认为甘肃陇东地区的环河华池组(K₁h)紫红色泥岩和粉砂质泥岩,青海柴达木盆地南八仙地区的干柴沟组(ENg)和油沙山组(Ny)灰色泥岩,以及内蒙古巴音戈壁盆地巴音戈壁组(K₁b)灰色、深灰色泥岩是潜在的处置库围岩,可以作为今后场址筛选进一步研发工作的主要目标层位。

2.2 黏土岩预选区与预选地段筛选

2014年12月国家国防科工局批复“第二期黏土岩项目”。研究目标是在西北地区筛选出2、3个黏土岩预选区,通过开展预选区内的对比与评价研究,筛选出2、3个黏土岩预选地段,为开展黏土岩预选地段对比和推荐黏土岩预选场址提供技术支持。项目以西北地区中-新生代沉积盆地为主要研究对象,重点开展了黏土岩处置库选址技术准则研究,以及预选区地质、水文地质、自然地理、经济社会等调查研究。通过对陇东地区、柴达木盆地西北缘地区、巴音戈壁盆地塔木素地区等5个地区的调查研究,推荐出了内蒙古巴音戈壁盆地塔木素预选区、苏宏图预选区、二连盆地川井预选区等3个预选区(图2)。通过进一步的地质、水文地质调查和地球物理勘查、未来自然变化、黏土岩深部揭露及钻孔试验研究等工作分别在塔木素预选区和苏宏图预选区范围内筛选出了3个预选地段。

该项目的实施,基本完成了黏土岩场址筛选规划选址阶段和区域调查阶段的研发任务。从技术层面上首次提出了黏土岩预选场址筛选的基本准则;建立了黏土岩预选区与预选地段特性研究与评价的方法与技术。项目实施所推荐的塔木素黏土岩(泥岩)预选地段,为进一步开展黏土岩预选地段的详细评价、推荐黏土岩预选场址,加快高放废物地质处置库场址和围岩类型的比对研究、推进高放废物地质处置的均衡发展奠定了重要基础,也提供了人才队伍保障。

项目实施同期,承担单位还完成了两期IAEA技术合作项目(IAEA TC CPR9049、CPR9050)。在IAEA的支持下,先后选派了来自法国、瑞士和德国的三批次高放废物地质处置专家到承研单位进行学术交流,并赴塔木素和苏宏图预选区开展了现场考察与初步评价工作。IAEA专家对本项目研究所推荐预选地段的地质、水文地质、经济社会等条件,以及塔木素预选地段方沸石泥岩可以作为一种高放废物地质处置库新的黏土岩围岩类型给予了充分肯定;为后期在预选区范围内开展预选地段、预选场址筛选工作提出了建设性意见^[40]。

3 黏土岩场址筛选主要进展

3.1 黏土岩场址筛选技术准则推荐

制定场址筛选技术准则是最基础性的工作,是高放废物地质处置库场址筛选的行动准绳,也是今后审管机关评定和检查选址工作的依据。根据IAEA、法国、瑞典等其他有核国家研发经验,场址筛选不同阶段应有不同技术准则的具体内容,不同地质背景和围岩类型场址筛选的技术准则也存在差异。所以,场址筛选技术准则的制定是一个迭代、深化、完善的过程。

IAEA推荐的安全要求与技术准则提出放射性废物地质处置设施场址的选择需重点关注地质、水文地质、地球化学、岩土力学等方面问题,以及长期安全性、技术可行性、运行安全性、社会经济、政治和环境等因素^[3]。是当前各国制定处置库选址技术准则的重要参考,但由于废物源项、需处置容量、地质背景、围岩类型等不同,各有核国家所制定的场址筛选技术准则内容与安全要求也存在差异。如法国、瑞士、比利时在制定黏土岩场址筛选安全要求与技术准则时,重点从场址稳定性、水文地质、地球化学、力学特性和热特征、地下资源等方面提出了具体要求。

参照IAEA推荐的放射性废物地质处置场址筛选的安全与技术要求,借鉴法国、瑞士黏土岩场址筛选的经验;同时按照国家核安全局颁布的“选址导则”要求,结合中国黏土岩区域分布情况及其地质背景等提出了黏土岩场址筛选技术准则大纲(表1)^[41]。黏土岩场址筛选技术准则大纲的提出和具体选址准则的制定,是推进黏土岩场址筛选的主要依据,也是场址筛选项目实施推荐预选区与预选地段的重要遵循。

3.2 黏土岩场址地段初步评价与推荐

按照中国“选址导则”要求,依据推荐的场址筛选技术准则,综合考虑经济社会条件等。对西北地区塔木素等5个预选区进行了综合评价。评价结果表明,塔木素预选区适宜性最优、苏宏图和川井预选区较适宜、南八仙预选区基本适宜,而陇东预选区为不适宜^[42-43]。根据该评价结果,推荐塔木素预选区和苏宏图预选区作为预选地段筛选的重点工作区。按照黏土岩场址筛选重点工作区-预选区推荐-预选地段推荐-预选场址推荐的研发主线,遵循场址筛选技术准则大纲和具体内容,重点在塔木素预选区、苏宏图预选区开展了预选地段筛选研发工作。研究结果表明,塔木素预选区下白垩统巴音戈壁组上段(K₁b²)泥岩分布范围广泛,从地表至800 m深度范围内连续厚度大、结构均一性较好,泥岩特性等满足场址筛选的基本要求;而苏宏图预选区深部白垩苏红图组泥岩固结程度较低,其岩土力学性能等满足不了场址筛选的基本要求(图3)。

塔木素预选区位于内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善右旗境内的干旱、半干旱荒漠区,地表水系、地下水不发育;2015年调查表明常住人口1 594人,人口密度极度(0.07人/km²)。地质与水文地质调查区面积约3 000 km²。调查结果表明该预选区位于阿拉善地块内部,新构造运动不发育,区内断裂构造均为非能动断裂,说明预选区构造环境稳定,新生代以来地壳处于稳定状态^[44-45]。利用大地电磁测深和可控源音频大地电磁测量地球物理探测方法、基本查明了巴音戈壁组上段目标泥岩层位地下空间的展布特征,为实施钻探工程奠定了基础。

3.2.1 巴音戈壁组上段泥岩的基本特征

2017年在塔木素预选区实施了两个深部揭露钻探工程(钻孔TZK-1和TZK-2,深度均为800 m),并系统采集了巴音戈壁组上段目标层位泥岩样品。两个钻孔均揭露到了厚层状泥岩,其中钻孔TZK-2全孔均为灰色、深灰色泥岩。利用TZK-2目标层位岩芯,开展了系统的泥岩矿物成分与微观结构构造、物理化学性能、岩石力学性能等研究。通过TZK-2钻孔150.32~800.60 m深度158件泥岩全岩矿物成分X衍射(德国布鲁克,型号:D8 advance)半定量测试,表明泥岩以碳酸盐矿物(白云石和铁白云石)、方沸石和钠长石为主,其中方沸石质量分数最高可达62%,黏土矿物(伊利石为主)质量分数相对较低,约占10%,且随着埋藏深度增加主要区别体现在方沸石和碳酸盐矿物质量分数随深度加深呈现负相关趋势^[46]。系统的物质组分分析证实了塔木素预选地段围岩物质组分明显区别于以黏土岩矿物为主要物质组分的传统黏土岩围岩。例如,法国COx黏土岩、瑞士OPA黏土岩和比利时Boom黏土岩等典型黏土岩围岩中黏土矿物质量分数分别高达55%、66%和60%^[19,47-48]。进一步对比发现,塔木素泥岩与外国传统黏土岩围岩最显著区别在于前者主要为含方沸石和白云石的混合泥岩,而后者主要为混合黏土质泥岩、富硅黏土质泥岩(图4)^[46],且均属于前述NEA建议的高放废物地质处置候选围岩类型泥质岩类范畴。不同于法国等典型黏土矿物含量较高的黏土岩,塔木素预选地段围岩称为泥岩更为合适,是一类含方沸石、白云石泥岩的新型围岩类型。

研究表明,方沸石内部孔道结构和内表面积差异明显,进而直接影响孔道内分布着具有可交换性的阳离子和水分子数量,从而造就其具有独特的吸附、分子筛、离子交换等性能及差异^[49]。鉴于方沸石孔道及分子筛等功能,含方沸石泥岩在核素吸附、含水率、渗透性方面兼备了典型黏土岩围岩的优势;方沸石、白云石胶结充填泥岩原生孔隙凸显了泥岩单轴抗压强度优势,比典型黏土岩围岩易于开展工程建造^[50-52];含方沸石新型围岩在模拟塔木素预选地段真实地下水环境下能有效固化Sr-79^[53],对Eu(Ⅲ)也有较好的吸附效应^[54]。方沸石的沸石水在应对处置库运行初期核废料热辐射温度场时具有更高的耐相变温度,方沸石“抗矿物转化”优势较典型黏土岩明显,热稳定性更强^[49]。方沸石在美国Yucca Mountain场址调查和比利时低放-中放废物处置研究中已经开展了相关研究工作^[55-56]。由此可见,塔木素预选地段相对高含量方沸石、白云石泥岩在核素吸附、低渗透性、力学性能^[57]、热稳定性等围岩关键参数方面优势凸显,不仅满足了作为场址候选围岩的基本条件,更成为泥质岩类围岩中一类新型的优势围岩^[40]。

为进一步掌握塔木素预选区目标层位泥岩的物理性能与岩土力学性能,为处置库场址建造与工程条件评价提供依据,选取TZK-2钻孔300~550 m深度均匀块状泥岩样品,在中国科学院武汉岩土力学研究所系统开展了泥岩天然含水率、渗透性、孔隙度测试以及抗拉强度、单轴与三轴试验等;在核工业北京地质研究院开展了泥岩热传导试验。研究结果证实了塔木素泥岩具有含水率低、孔隙度小、渗透率低,单轴抗压强度高等特征;其中,抗拉强度和单轴抗压强度得数值在510 m深度以下具有明显增大趋势突显出该深度以下良好的工程建造条件(图5)^[58-59]。如表2所示为塔木素泥岩与法国、瑞士处置库预选场址黏土岩以及比利时地下实验室Boom黏土的物理性能、岩石力学性能等参数。该比较结果进一步表明塔木素以方沸石、白云石、钠长石为主要矿物组成的泥岩不仅拥有传统黏土岩渗透率低、吸附与阻滞性能强等特性,比传统的以黏土矿物为主要物质组成的黏土岩具有更好的岩石力学性能,建造与工程条件优良,可以作为高放废物地质处置库有利的围岩类型。

3.2.2 塔木素泥岩预选地段推荐

根据塔木素预选区地质条件[图6(a)]与水文地质条件调查、地球物理探测、浅层地震数据解译、钻孔深部揭露等研究结果。初步重建了预选区湖盆演化的过程,构建了目标层位泥岩地下空间的展布规律[图6(b),A-A’剖面]。再综合考虑目标层位泥岩基本特征、预选区未来自然变化与经济社会条件等研究结果,以及在满足地段面积(不小于200 km²)、目的层连续厚度(不小于100 m)等具体地质条件准则的需求下,利用收集到的钻孔等资料,验证了目的层(K₁b²)连续赋存厚度应大于400 m,且目的层泥岩垂向上发育两套泥岩,第一套(上层)埋深较浅至地表以下约450 m;第二套(下层)埋深500~800 m,地下延展范围大于上层泥岩。结合上、下层泥岩主要物质组分和单轴抗压等特性差异,遵照地段筛选的阶段性目标要求,在塔木素预选区内推荐出了两处预选地段,两处预选地段均为巴音戈壁组上段泥岩,但泥岩赋存深度不同、平面上不重叠。预选地段Ⅰ:面积约220 km²,泥岩赋存深度为300~550 m;预选地段Ⅱ:面积约245 km²,泥岩赋存深度为480~800 m[图6(b)]^[66-67]。同时,低水平和中水平放射性废物处置深度建议为地下几十到几百米。因此,塔木素推荐的两处预选地段也可为低水平和中水平放射性废物处置库场址筛选提供科学参考。

4 黏土岩场址筛选研发展望

高放废物的安全处置必须立足国内,依靠自己的力量在中国的国土范围内解决高放废物安全处置问题。中国花岗岩场址筛选历经了近40年的研发,于2021年6月正式开启了甘肃北山花岗岩地下实验室的建设^[24,38,68],标志着中国高放废物地质处置研发新的里程碑。但相比花岗岩场址筛选历程,中国黏土岩场址筛选研发工作起步晚,研发投入有限、研发程度也相对较低,仍处于规划选址阶段。《高放废物地质处置研究开发规划指南》、国家国防科工局高放废物处置研究开发的总体思路以及《核设施退役及放射性废物治理科研项目申报指南》等,要求除开展花岗岩场址筛选工作外,应充分考虑花岗岩和黏土岩作为高放废物处置围岩的可行性,明确提出重点在甘肃、新疆、内蒙古开展花岗岩场址筛选工作,重点在西北地区开展黏土岩场址筛选工作。以法国为代表的西方发达国家,通过花岗岩、黏土岩场址筛选的长期比对研究,最终选择黏土岩作为高放废物地质处置库的围岩类型,并确认了黏土岩处置库场址。瑞士在同步开展花岗岩和黏土岩地下实验室研发的基础上,也确认了黏土岩作为高放废物处置库围岩类型。比利时、日本等国家对黏土岩作为高放废物处置围岩的可行性进行了深入研究,并建造了地下实验室。因此,黏土岩研发技术层面也有丰富的实践经验,加强国际合作是推荐黏土岩研发技术层面的重要途径。

当前,正值新一轮《高放废物地质处置研究开发规划指南》征集和征求《高放废物处置领域“十五五”及中长期发展规划》研讨的重要时期。要进一步理顺管理体制,加强顶层设计,完善相关立法、规章和标准建设,加大地质处置研发力度,稳步深入开展北山地下实验室及相关配套建设。同时,积极推进“研究比较不同围岩类型,完成其他预选地区和围岩类型的预选及推荐”工作,是延续中国高放废物地质处置研发花岗岩围岩和黏土岩围岩两条技术路线的重要保障,是核能利用行业规模大、体量大的现实要求,也是今后国家层面审管最终决策处置库场址的重要基础。

(1)理顺高放废物地质处置事业管理主体,及时推动地质处置领域相关法规、导则、技术等指导性文件的更新与完善。强化顶层设计,拓宽研发经费来源渠道,加大研发投入。引领利用北山地下实验室平台,强化场址评价、处置容器材料、处置库单元设计等全尺寸实验研发,协同开展综合性大型多学科现场试验,创新推进高放废物地质处置事业纵深发展。

(2)继续设立黏土岩场址筛选与评价相关研发项目,推动至少推荐2个适宜建造处置设施的黏土岩候选场址筛选工作,为最终处置库建造提供比选基础,也保证了花岗岩和黏土岩围岩两条技术路线的延续性,推动高放废物地质处置事业均衡发展。

(3)利用IAEA高放废物地质处置协作中心平台,加强与IAEA、北山地下实验室研发合作。重点借鉴法国黏土岩场址筛选与评价技术方法和研发经验,结合中国预选区地质条件、自然地理等,进一步完善黏土岩场址筛选与评价技术准则体系;借鉴北山地下实验室选址及建设有益经验,建立安全评价关键参数获取试验方法和能力,逐步构建黏土岩场址安全评价方法;加强多学科青年人才的交流与培养,为高放废物地质处置事业储备人才。

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