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芬蘭高放射性廢棄物最終處置設施深度報導

9 芬蘭高放射性廢棄物最終處置設施深度報導

文‧ 編輯室




2012 年12 月,芬蘭負責核能後端營運的專責機構—泊西瓦公司(Posiva Oy),向芬蘭勞動暨經濟部(MEE)提出高放射性廢棄物最終處置設施的建造執照申請。2015 年2 月,芬蘭輻射暨核能安全管制局(STUK)在經過審查後正式發表聲明,認為該廢棄物最終處置設施的興建符合安全要求,成功獲得芬蘭核能管制機關的背書。而芬蘭政府亦在9 個月後,核發全球首張深層地質處置場的建築執照,允許泊西瓦公司於芬蘭西南部的歐基盧歐托島(Olkiluoto),建造用過核燃料封裝廠與深層地質處置場,成為世界首座邁入建造階段的高放深層地質處置場。

芬蘭自1970 年代後期、國內首座反應爐開始商轉時,就已開始為用過核燃料的最終處置做準備,並於1983 年首次完成最終處置的時程表,同時也確立用過核燃料管理的目標與規劃。

在1994 年通過修改其《核子能源法規(Nuclear Energy Act)》後,由芬蘭所產生的用過核燃料及放射性廢棄物,均必須在芬蘭境內處理、貯存以及處置,生產者亦必須負擔所需的費用。因此,芬蘭自1996 年開始即停止將境內核電廠所生產的用過核子燃料運送至俄羅斯進行再處理,取而代之的是將其暫存在電廠內的用過核燃料池內。

芬蘭目前擁有運轉中反應爐4 座,總裝置容量約為280 萬瓩,其中的洛維薩(Loviisa)1、2 號機組為沸水式反應爐(BWR), 歐基盧歐托1、2 號機組則為俄羅斯製造的壓水式反應爐(VVER),去(2015)年芬蘭的核電占比接近3 成,另有歐基盧歐托3 號建造中, 漢希克維(Hanhikivi)1號、歐基盧歐托4號計畫中等。



截至去年底,芬蘭這4 座運轉中核電機組所產生的用過核燃料已有大約2,000 噸,為了確保這些用過核燃料的放射性物質不會釋放至人類的生存環境,芬蘭將在地下深度約400-450 公尺處興建深層地質處置場,永久貯存這些屬於高放射性廢棄物的用過核燃料。

處置場的選址

泊西瓦公司自1983 年即開始找尋適合的場址地點,在芬蘭一百多個地方,透過大量的鑽孔採樣,展開了地質、水文、地球物理與化學等方面的勘查。在1993 年鎖定4個候選場址後,泊西瓦公司隨即個別展開深入的研究、分析與測試。除了各種地質特性之外,處置設施建設的可行性、擴建的可能性、長期的安全性、當地居民的支持度、土地的利用與環境衝擊等,還有成本,都是泊西瓦公司納入選址考量的重要因素。

而各項研究、檢測結果顯示,4 個候選場址均符合最終處置場場址的條件,但其中位於埃烏拉約基(Eurajoki)鎮上的歐基盧歐托島,以及洛維薩的當地支持率較另外2座候選場址高;歐基盧歐托可設置的處置場大小又比洛維薩大出許多,且目前大部分的用過核子燃料就是集中在該地區的歐基盧歐托核電廠內,如果貯存地點選擇該處的話,運輸距離較存有較少量用過核燃料的洛維薩核電廠短出許多。

因此,泊西瓦公司於1999 年以歐基盧歐托作為用過核燃料最終處置場場址,以及將採用瑞典「KBS-3 深層地質處置概念」來建造,向政府提出「決策原則(Decision onPrinciple,DiP)」的申請。基於芬蘭核能法規,在重要核能設施進入營運階段前,必須▲芬蘭核電廠分布現況取得「決策原則」;而在原則決定通過前,泊西瓦公司必須得到當地地方政府的同意,還需通過輻射及核能安全局初步的安全審查,才可開啟國會投票是否批准該項DiP。



在獲得埃烏拉約基地方政府同意,以及輻射及核能安全局的審查通過後,政府於2000 年12 月同意頒布該項DiP,國會亦在2001 年5 月,以159:3 的表決結果通過,確立歐基盧歐托成為芬蘭高放最終處置場場址,允許泊西瓦公司在該處建造用過核燃料地表封裝廠與深層地質處置場。



昂克洛

為了再確認於地表鑽孔採樣得知的結果,在政府與議會均同意處置設施的建設後,泊西瓦公司即於2004 年在歐基盧歐托開始「昂克洛(Onkalo)」地下實驗室與「地下岩石特性分析設施」的建造工程,以確認位於歐基盧歐托的母岩是否真的適合建造深層地質處置場。

Onkalo,在芬蘭語是「洞穴、隱藏之所」的意思,該建設的目的不單只為建立地下研究實驗室,昂克洛也是未來擴建深層地質處置場的主要幹道,為深層地質處置場的先導設施。泊西瓦公司期望能以昂克洛的實際執行成果,來提供處置場的最詳盡的資訊。



昂克洛的主要建設內容包含了隧道、研究設施以及3 條豎井。泊西瓦公司已於2011 年完成昂克洛所有開挖作業,總開挖土方量達34 萬立方公尺,並於437 公尺深的地方建立技術設施,進行處置相關技術的試驗與探查工作。

整條昂克洛隧道以鑽孔與爆破的方法來開鑿,隧道的深度達地下455 公尺,長度則接近5 公里。在開鑿隧道的時候,多個鑽孔採樣將會隨之一同進行,透過鑽孔採樣獲得的樣本,可準確得知開鑿隧道的過程中將面臨的岩石種類,在設置最終處置場的區域也將使用相同的方式來採樣,以研究不同的岩石特性與地下水的流動狀態等。隧道的寬、高度分別為5.5 與6.3 公尺,開鑿速度大約為每周25 公尺,傾斜度為1:10。

隧道與豎井的開鑿大略分為4 個階段,每當隧道完成一個階段(即一圈)、深度約100 公尺的開挖工作時則切換至豎井,如此輪流。豎井的建造使用昇井工法(RaiseBoring)來進行,即先利用一個30 公分寬的鑽孔至地表鑽入地底下隧道開挖處,再使用特殊的工具,以旋轉與提拉的方式自地底至地表,將原本30 公分寬的鑽孔擴大,4.5公尺寬的豎井開挖就完成了。昂克洛總共有3 條豎井,其中2 個為通風用,另外1 個為人員運輸通道,深度均達地下435 公尺。

昂克洛的開挖於2010 年中到達設置處置場的深度——地下420 公尺處,泊西瓦公司自那時即開始對該處周圍的岩石,進行鑽孔採樣與各種研究。多種地質的量測與地下水相關的研究都會透過鑽孔來進行,以了解該處地下水的化學成分與特性,以及岩床內部的裂縫或不連續面等。雖然歐基盧歐托的岩床完整,且岩石地質均勻度高,但仍不免會有上述的情況存在;為了確保處置容器的安全,處置孔的選擇必須經由各種詳細的調查與篩選,避開岩床內部的縫隙與不連續面。




地表封裝廠與地下最終處置場
泊西瓦公司在去年11 月獲得最終處置場建築執照後即開始處置場的工程,整座深層地質處置場除了昂克洛之外,還有一座位於地表的用過核燃料封裝廠。在用過核燃料自核電廠運送至該處、移入地下最終處置前,會先在封裝廠將用過核燃料自輸送容器中移出並風乾,再將其裝入處置容器中。

待所有燃料束完成轉移,處置容器將灌入氬氣並蓋上鋼製的內蓋,再將處置容器的外蓋蓋上,並使用電子束焊接的方式密封,以確保其密合度。完成密封後,處置容器會使用x 光與超音波照射,再一次檢查焊接是否完整。

封裝廠的設立,是為了避免有害程度的放射性物質釋出至人類生活環境,即使封裝過程中受到干擾也不應有上述情況發生。處置容器在完成各種檢測過關後,將直接從封裝廠電梯下降至地下處置場坑道入口,再使用運輸車輛運送至6-8 米深的處置窖,之後再將處置窖與隧道密封,作最終處置。

處置場坑道將自昂克洛的主要隧道延伸出去,再依照該處的岩石、水文特性來決定將開挖多少個處置窖。整個最終處置場將會劃分成8 期來建造,因此在運轉期間的任何一個時間點,都會有將近一半的處置場是沒有密封上的狀態。把工程分成多期來建造的好處就是可以「邊做邊觀察」,在建造、運轉期間不斷的吸收新的數據與資訊,以利後期處置場的建設。




KBS-3 深層地質處置概念
泊西瓦公司正在進行的最終處置計畫, 是採用瑞典核燃料與廢棄物管理公司SKB(Swedish Nuclear Fuel and WasteManagement Co.)所研發的「KBS-3 深層地質處置概念」,利用多重障壁與深層處置的原理,以天然形成的母岩作為屏障,加上外部包裝,將放射性物質層層包覆其中,徹底將用過核燃料與人類及動植物生長環境隔絕,即使未來地質構造有任何變化,也不會影響到其安全及獨立性。

所謂的多重障壁主要有4層,包含了燃料芯塊本身、廢棄物密封罐、膨潤土,以及岩床。現代反應爐廣泛採用耐高溫與腐蝕的氧化鈾陶瓷核燃料,而陶瓷型的核燃料芯塊自身即為首道屏障,在氣密式金屬燃料棒內的燃料芯塊為固體,在水中溶解速度緩慢,放射性物質釋放的速度也會因此而減緩。

第二層屏障為放置用過核燃料束的密封罐。這種氣密式密封罐是由銅質外殼與鑄鐵襯裡所組成的處置容器,耐腐蝕,亦可保護燃料元件免於由岩床內部所產生的機械應力所擠壓。泊西瓦公司表示,處置容器的材料、結構、生產方式以及密封的技術均通過嚴格檢測,確保該容器可在岩床內維持「防漏」的狀態長達至少10 萬年的時間。

目前以芬蘭4 座運轉中以及1 座建設中反應爐來看,泊西瓦公司估計將需要近2,800 個處置容器。但這5 座反應爐使用的核燃料束大小卻不盡相同,洛維薩1、2 號機的燃料束最小,歐基盧歐托1、2 號機稍大,仍在建造中的3 號機的燃料束則是最大,處置容器也因此必須依照3 種不同大小的燃料束來製造,但寬度均統一是1.05 公尺。



密封罐在完成用過核燃料的裝填後,即可移入岩床中的處置窖內,為了減少與地下水的接觸,以及確保岩床可承受各種潛在的震動,每個窖內都將填入膨潤土作為緩衝材料。膨潤土是一種天然的黏土,當接觸到水時會將水吸收而膨脹。換句話說,它也可隔絕水源流經膨潤土。因此,當處置容器外圍包覆膨潤土,可確保處置容器不會受處置窖周圍的水源影響,即使在處置容器洩漏的情況下,也可阻隔處置容器內的放射性物質釋出。此外,膨潤土還可保護處置容器不會因岩石的移動而受到磨損。岩床在移動時有可能會產生縫隙,而膨潤土可以迅速的將縫隙填滿。對水的傳導性極低,且在化學與物理力學長期的穩定性非常高,都是黏土的優點。

待處置容器與膨潤土安裝完成後,處置場的坑道將會使用塊狀以及丸狀膨潤土等黏土填充材料,在整個營運期間分期填滿。為了避免場內坑道及豎井在處置場封閉後成為地下水流動的路徑,所有的坑道與豎井都會使用填充材料回填,而這些填充材料還可預防處置容器外圍膨潤土的移動。此外,坑道的回填還可確保沒有人可以再進入處置場,這也表示,在處置場封閉後並不需要任何人為的監管。

處置窖外層的岩床則是多重障壁的最後一道屏障,為了將用過核燃料與人類生活環境完全隔絕,以及避免處置容器受到地表任何的變動所影響,例如進入冰河時期等,存放處置容器的窖將建於地下400-450 公尺深的岩石當中。

依照長期安全的考量,場址在處置深度的地質必須是穩定的,且不應被大型的破碎帶切割,如此環境中的地質、水文以及地球化學才會是變化緩慢且可以預測的。在擁有合適性質與環境條件下,工程障壁力學與阻滯放射性核種的遷移都可維持更長久的時間。

位於歐基盧歐托的母岩,年齡約介於18-19 億年之間,種類為花崗岩。根據泊西瓦公司所做的研究調查顯示,芬蘭的岩床穩定,內部有大規模遷移的可能性極小,在幾百公尺深處的地下水中並不帶有氧氣,且流動速度非常緩慢,這也是處置容器與用過核燃料不太會受腐蝕作用影響的原因。

另外,岩床也可有效阻擋自處置容器直接散發出來的輻射,2 米厚的岩石即可有效減弱輻射強度至自然水平。假設用過核燃料真的在無法預測的情況下接觸到地下水,大部分溶解出來的物質也只會留在周圍的膨潤土以及岩床內。但是,越深入至岩床內部,其中的壓力條件將使處置場的建設作業更為困難,地下水中含有的鹽分也相對較高,有可能對膨潤土的作用產生不利影響。

目前泊西瓦公司決定以「垂直」的方式來存放處置容器,以及開鑿放置容器的處置窖,但泊西瓦公司亦與瑞典SKB 合作,共同研究「水平」存放技術的開發。



泊西瓦公司
身為芬蘭最終處置專責機構的泊西瓦公司,是由芬蘭兩家核電營運廠商—工業能源公司(TVO)與富騰公司(Fortum)於1995 年合資成立,負責執行用過核燃料最終處置計畫,其中TVO 占60% 的股份,富騰公司則占40%(股份的分配約相當於兩家電力公司所擁有的核電廠與用過核燃料的數量比)。依法規定,各電力公司必須負責處理旗下核電廠所生產的高放廢棄物,範圍包含了整個高放處置場的研發、建設與營運。TVO 與富騰公司每年均需撥款至芬蘭工商部所設置的「放射性廢棄物營運基金」,業者也必須定期向身為監督者的勞動暨經濟部,提報放射性廢棄物的營運計畫與成本估計,以確保有足夠的資金來處理境內生產的放射性廢棄物。

結語
芬蘭已著手建造全球首座深層地質處置場,泊西瓦公司表示,國家組織架構與政策明確、技術發展成功、國際間合作頻繁、不間斷與民眾之間的溝通及信守承諾,以及健全的財務狀況(尤其是後端基金的穩定徵收)等,都是泊西瓦公司今日領先全球的主要原因。該座深層地質處置場將於2020 年向管制機構提出運轉執照的申請,2022 年後正式開始營運。

資料來源:
1. World Nuclear Association, “NuclearPower in Finland”, Updated June 2016
2.Posiva Oy, “Final Disposal,”
3. O E C D - N E A , “R a d i o a c t i v e w a s t emanagement programmes in OECD/NEAmember countries – Finland”, 2016
4. Youtube, Posiva Oy, “Posiva ONKALO inEnglish”, 24 January 20145. 台灣電力公司, “赴瑞典、芬蘭考察放射性廢棄物營運設施”, July 2014
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Last modified:2016-09-14 17:52:49 by nicenter Powered by TadBook2
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