综述：下一代核废料管理：地质处置库、新兴技术与全球路径

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Next-Generation Nuclear Waste Management: Geological Repositories, Emerging Technologies, and Global Pathways

本综述系统梳理了核废料地质处置库设计（如芬兰Onkalo、美国WIPP）、新兴技术（深钻孔处置、分区嬗变P&T、玻璃固化）及安全框架，指出整合多屏障系统与数字化监控（如AI、机器人RADBOT）可显著降低长期风险，为全球370,000吨核废料（年增10,000吨）的可持续管理提供路径，支撑核能在碳中和目标中的关键作用。

　　

1. 引言

核能作为全球低碳能源转型的基石，供应约10%的全球电力，但核废料的安全管理仍是核心挑战。全球核废料库存已超过370,000公吨，并以每年10,000吨的速度增加。高放废物（HLW）和乏燃料虽仅占总体积的2%，却贡献了超过95%的放射性，其长期隔离需依赖地质处置库等先进技术。本文综述旨在分析地质处置库设计原理、新兴处置技术前景及未来研究方向，为2050年全球净零排放目标提供技术支持。

1.1. 综述的新颖性与框架

本综述采用“下一代”视角，整合技术创新图谱、政策协同和生命周期可持续性评估，建立以技术就绪度为基础的比较框架，区分常规实践与新兴路径，为2030年后的核废料管理研究提供前瞻性参考。

2. 核废料的分类

核废料根据放射性、来源和处理要求分为低放废物（LLW）、中放废物（ILW）、高放废物（HLW）和乏燃料。LLW占体积90%、放射性<1%，主要包括污染防护装备等；ILW占体积7%、放射性4%，需屏蔽处理；HLW体积<3%但放射性>95%，含锶-90、铯-137等长寿命核素，需深层地质处置。乏燃料作为HLW子类，全球存量达370,000吨，年增10,000吨，是管理的重点。

2.1. 核废料类型

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  低放废物（LLW）：放射性水平较低（10²–10⁶Bq/g），半衰期短，主要通过近地表填埋处理。
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  中放废物（ILW）：放射性较强（10⁶–10⁹Bq/g），需屏蔽，源自反应堆部件等。
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  高放废物（HLW）：放射性极高（10⁹–10¹²Bq/g），含长寿命锕系元素，需深层地质处置。
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  乏燃料：放射性达10¹⁰–10¹⁴Bq/g，产热显著（10–20 kW/吨），需长期冷却后处置。

2.2. 核废料特性

核废料的管理取决于其辐射强度、半衰期、热输出和化学组成。HLW初期辐射强度超10¹²Bq/g，半衰期可达百万年（如钚-239为24,110年），热输出需主动冷却。化学耐久性至关重要，如玻璃固化体的浸出率低至10^-6g/m2/天。全球核废料体积分布中，LLW占主导，但HLW是风险主要来源。

2.3. 集成核技术评估框架（INTEF）

INTEF框架从技术就绪度、可持续性和部署可行性三个维度评估处置技术，使用加权聚合模型（INTEF = αRPL + βSRL + γADL）进行量化比较，为决策提供透明依据。

3. 地质处置库：原理与设计

地质处置库通过多屏障系统（天然屏障如基岩、工程屏障如铜罐和膨润土）实现核废料长期隔离，深度通常500–1000米，依赖被动安全，无需后期维护。国际原子能机构（IAEA）要求屏障系统有效隔离万年以上。

3.1. 地质处置库概念

多屏障包括天然屏障（如花岗岩、黏土的低渗透性）和工程屏障（腐蚀抗力容器、缓冲材料）。设计强调地质稳定性，如芬兰Onkalo库在430–500米花岗岩中部署铜罐-膨润土系统，目标安全期10万年。

3.2. 场址选择标准

场址需地质稳定（低地震、断层活动）、水文条件佳（地下水流动慢），并考虑社会政治因素。美国尤卡山项目因公众反对停滞，而芬兰Onkalo通过社区参与成功，凸显透明度的重要性。

3.3. 现有处置库案例研究

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  Onkalo（芬兰）：全球首座深层地质处置库，容量5,500吨乏燃料，2025年投运，采用铜罐多层屏障。
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  WIPP（美国）：1999年运行，床盐层深度655米，存储175,000 m3超铀废物，2014年事故后强化监控。
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  尤卡山（美国）：提议中的HLW处置库，因资金和公众阻力搁置，体现政策挑战。

4. 核废料处置新兴技术

4.1. 深钻孔处置

深钻孔处置（DBD）将废物封存于3–5公里深结晶基岩，利用深度隔离风险。技术基于油气钻井工艺，成本10–20亿美元，但可监测性和取回性差，处于试验阶段。

4.2. 分区与嬗变

分区与嬗变（P&T）通过化学分离和中子轰击将长寿命核素（如碘-129）转化为短寿命或稳定同位素，毒性降低90%，但能耗高、成本50–100亿美元，尚未规模化。

4.3. 先进固化技术

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  玻璃固化：如法国拉海格设施，将HLW与硼硅酸盐玻璃混合，熔融形成耐久基质，浸出率约10^-6g/m2/天。
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  陶瓷基质：锆石等陶瓷耐辐射性强，但制造复杂。
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  Synroc：钛酸盐陶瓷模拟天然矿物，稳定性高，尤适于固化铯-137等核素。

4.4. 放射性废物处理技术比较

水泥固化、沥青固化成本低，适于LLW/ILW；玻璃固化和Synroc耐久性最佳，适于HLW；深钻孔和P&T代表长远方向，但技术成熟度低。

4.5. 固化与熔炉技术

冷坩埚感应熔炉（CCIM）提升玻璃固化效率和废物负载；地质聚合物等新型基质提供低温替代方案，增强化学稳定性。

5. 环境与安全考量

5.1. 长期环境影响

放射性核素迁移（如铯-137）和地下水污染是主要风险。处置库设计需阻隔核素进入生物圈，IAEA标准要求安全期超万年。

5.2. 风险评估与缓解策略

总系统性能评估（TSPA）模型预测万年失败概率<1%。监控系统（如地震传感器、光纤网络）实现早期预警，机器人技术（如RADBOT）提升后期检测能力。

5.3. 监管框架与国际标准

IAEA的GSR Part 5等标准要求多屏障安全案例；各国如美国EPA限值年剂量15毫雷姆。国际合作（如《联合公约》）促进标准统一。

6. 挑战与未来方向

6.1. 技术挑战

废物体积大、热管理（HLW产热10–20 kW/吨）、材料耐久性（腐蚀率10^-5/年）是主要难题。

6.2. 社会政治挑战

公众接受度低（如尤卡山反对）、代际公平问题凸显，需通过透明沟通和利益共享解决。

6.3. 未来研究方向

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  先进材料：石墨烯涂层、钛合金提升耐腐蚀性。
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  机器人：RADBOT项目2028年部署，实现深部检测。
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  人工智能：AI监控系统至2035年预测可靠性提20%，2040年长期风险降30%。

6.4. 基于情景的比较与方法学局限

深钻孔隔离性最佳但可监测性差；黏土库平衡性好；盐岩库自愈合强但气体迁移风险高；结晶岩依赖工程屏障。

6.5. 下一代地质处置选项决策框架

决策需结合废物特性、地质条件和技术成熟度。黏土库综合得分高，适于广泛部署；深钻孔适于高放废物集中处置。

7. 基于INTEF框架的结果与比较评估

INTEF评估显示，黏土库在就绪度、可持续性和部署性上均衡；深钻孔隔离性突出但可行性低；盐岩和结晶岩各有局限。整合多技术是优化路径。

8. 结论

地质处置库仍是核废料管理基石，结合新兴技术（如深钻孔、P&T）和数字化监控（AI、机器人）可提升安全性。至2040年，技术创新有望降风险30%，支撑核能可持续发展。全球合作与政策协同对实现2050净零目标至关重要。