高放國際經驗new

國際上普遍以深層地質處置作為用過核子燃料及高放射性廢棄物的最終處置策略,其中芬蘭、瑞典採開放式核子燃料循環,直接將用過核子燃料進行深層地質處置,而法國、日本則採用封閉式核子燃料循環,用過核子燃料經過再處理回收可用核物料重複利用,過程中殘存的高放射性廢棄物會經玻璃固化後,再進行深層地質處置。

這些國家在深層地質處置計畫的執行進度方面,目前以芬蘭、瑞典、法國的進度較快,已有明確計畫且處於許可申請階段,而日本仍在選址階段,其經驗均可供我國作為參考依據。

核電發展現況

芬蘭目前運轉中之核能機組共有4部,第5部正在建造中,目前總裝置容量為2,794百萬瓦(MWe)。核能發電廠提供之電力約佔芬蘭全國所需電力之34.7%。

專責機構

芬蘭於1994年修訂核能法,禁止用過核子燃料的輸出與輸入,因此各核能電廠所產生的用過核子燃料需於其廠內進行中期貯存。從反應爐退出的核燃料先在廠內的燃料池進行冷卻,之後移到廠內的中期貯存設施貯存,最後再進行最終處置。為了使最終處置業務更順利進行,芬蘭兩家核能發電業者Teollisuuden Voima Oyj電力公司(TVO)及Fortum Oyj電力公司(Fortum),於1995年合資成立芬蘭放射性廢棄物處理專責公司 (Posiva Oy),作為最終處置的專責機構,負責處置場相關研究開發、建設、營運等工作。

處置計畫

芬蘭的最終處置採用瑞典核子燃料及廢棄物營運公司(SKB)開發的KBS-3概念,將用過核子燃料中的放射性核種與廢棄物罐、緩衝材料、回填材料、地質岩層等層層包覆後,形成長期且安定的多重障壁系統。處置方式是將廢棄物罐放入處置坑道的地面挖掘出的處置孔,周圍再以緩衝材料(膨潤土)包覆,待坑道內全部的處置孔都置入廢棄物罐後,再以回填材料將處置坑道填滿。

經過一連串法律修訂,芬蘭選定Olkiluoto作為用過核子燃料最終處置場預定地。此處置場將用來處置Olkiluoto電廠1~3號機與Loviisa電廠1、2號機運轉50~60年所產生的用過核子燃料,總共可容納用過核子燃料6,500噸,處置設施位於地下400~450公尺深的岩層,處置隧道總長度為42公里,處置面積為2~3平方公里。2010年7月,國會投票同意擴大到9,000 噸以容納Olkiluoto 4號機(目前已取消興建)的用過核燃料。

Posiva於2012年提出處置場建設許可,目前正興建中,並預計於2020年提出營運許可申請、2023年開始營運。

芬蘭KBS-3高放最終處置示意圖

芬蘭高放最終處置多重障壁系統示意圖

芬蘭Olkiluoto高放最終處置場示意圖

資料來源:
Nuclear Power in Finland (Updated April 2020), WNA
https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-a-f/finland.aspx

核電發展現況

瑞典有3座核能電廠總共7部核能機組仍在運轉,總裝置容量為7,740百萬瓦(MWe),其中5部為沸水反應爐(BWR),2部為壓水反應爐(PWR)。核能發電廠提供之電力約佔瑞典全國所需電力之34%。

專責機構

在瑞典,由環境部負責用過核子燃料與放射性廢棄物管理相關立法,以及處理醫療、研究和工業應用上的放射性廢棄物使用等業務。瑞典輻射安全委員會(SSM),負責核子與輻射安全的管制業務,並向環境部報告。

瑞典核燃料及廢棄物管理公司(SKB)是由瑞典境內的四家電力業者在1977年成立,負責用過核子燃料與放射性廢棄物的安全處理、運輸、貯存及最終處置,以及規劃、建造與營運的相關設施。SSM也負責審查SKB的活動報告,包含處置場的建造計畫等。

處置計畫

瑞典採開放式核燃料循環系統,不將用過核子燃料再處理,而直接進行最終處置。其用過核子燃料主要由4座核能電廠產生。退出的用過核子燃料於各電廠冷卻約1年後,再利用專用船運輸至SKB營運的「集中式中期貯存設施」(CLAB),貯存於其地下的濕式貯存設施中,這段時間是讓用過核子燃料持續冷卻,並讓放射性降低,再送至廢棄物罐封裝廠進行廢棄物罐封裝,之後送至最終處置場進行處置。瑞典最終處置計畫是規劃尋找合適場址,於地下約500公尺深的結晶岩層中進行深層地質處置。

深層地質處置是利用廢棄物罐、緩衝材料膨潤土(Bentonite)、以及母岩層等多重障壁系統作為廢棄物的隔離措施(稱為KBS-3概念)。廢棄物罐是將用過核子燃料先置於一種特殊鑄鐵的容器,再封裝於銅罐中,之後再使用特殊焊接技術密封而成,處置時是將廢棄物罐放入處置坑道的地面挖掘出的處置孔,周圍再以緩衝材料(膨潤土)包覆,待坑道內全部的處置孔都置入廢棄物罐後,再以回填材料將處置坑道填滿。人工障壁與天然障壁組合而成的多重障壁系統是為了能夠將廢棄物長期與外界隔離。有關廢棄物罐的擺設方式,瑞典以縱向(直立式)擺放為主要方式研發,但芬蘭的Posiva公司也同時研發了橫向擺放的方式。

SKB為了實施最終處置計畫需設置「Clink廢棄物罐封裝廠」與「用過核子燃料最終處置場」兩項設施。SKB考量在CLAB的工作人員已經有多年處理核廢料的經驗,且封裝廠也可以同時運用到CLAB貯存場既有設備,決定將廢棄物罐封裝廠將合併建設於貯存場CLAB中。目前既存所有反應器除役後,將產生約6,000束廢棄物罐(相當於12,000噸鈾燃料)。

用過核子燃料最終處置場則以Östhammars市Forsmark作為預定地,完成後的地下設施面積約為3.6平方公里、隧道總長約72公里(處置坑道長約61公里),其地下設施採分階段方式建造,先將廢棄物罐安置於一部分的處置坑道並掩埋後,再依廢棄物罐接收進度(預計每年約200罐)於處置區其餘區域繼續建設處置坑道,以安置後續接收之廢棄物罐。

兩項設施的建造許可是由SKB向SSM提出申請。SKB於2006年11月提出在CLAB旁建設廢棄物罐封裝廠的建造許可申請,於2011年3月提出最終處置場之建造許可申請。2016年6月,SSM評估了SKB的Clink廢棄物罐封裝廠和Forsmark最終處置場許可申請,認為有可能符合其要求,並建議斯德哥爾摩土地環境法院核准該許可。2018年1月,SSM就SKB的申請向政府提出肯定意見,但土地環境法院則要求SKB就承裝用過核子燃料的廢棄物罐部分提供進一步文件。SKB預計在2020年代初期政府簽發許可證後立即開始興建最終處置場。

瑞典高放最終處置廢料罐的擺設方式(橫向及縱向)示意圖

瑞典高放最終處置場示意圖

資料來源:
Nuclear Power in Sweden (Updated March 2020), WNA
https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-o-s/sweden.aspx

核電發展現況

法國的核能電廠由法國電力公司(EDF)所營運共有57部機組持續運轉中,目前總裝置容量為62,250百萬瓦(MWe)。核能發電廠提供之電力約佔法國全國所需電力之70.6%。

專責機構

法國在2006年通過「放射性物料與廢棄物永續管理法」,確立放射性廢棄物管理之基本方針,即處置技術須確保「可逆性」(reversibility)。法國的核子燃料管理採封閉式循環系統,將用過核子燃料進行再處理程序,過程中所產生的高放射性廢棄物及長半衰期中放射性廢棄物仍需進行「具可逆性的地質處置」。並基於此法提出Cigéo地質處置計畫,確保最終處置場的可逆性可達100年以上。

法國主要的放射性廢棄物產生者為法國電力(EDF)公司、法國原子能和替代能源委員會(CEA)與Areva公司。法國國會制定國家放射性廢棄物管理政策,國家放射性廢棄物管理署(ANDRA)則為法國放射性廢棄物長期管理的專責機構,負責營運廢棄物處置場與新處置設施的設計、選址和建造。ANDRA需向政府報告,讓國會能決定廢棄物管理政策。

註:「可逆性」意指要求用過核子燃料在經過掩埋,仍可順利取出,以保留長期政策的彈性。

處置計畫

目前法國每年所產生的用過核子燃料約為1,150噸,其中約有1,050噸將送至La Hague核燃料再處理廠處理,而剩餘的100噸是以用過核子燃料的形式進行貯存。尚待再處理的用過核子燃料則存於各核電廠或La Hague中,而再處理所產生的高放射性玻璃固化體則暫時貯存於La Hague的貯存設施中,直至地質處置場開始營運為止。

處置場規劃建設於Bure地下實驗室附近地下500公尺的黏土層中,於黏土層中建設處置坑道,由廢棄物包件(由放射性廢棄物及廢棄物罐組成)、人工障壁(處置坑與豎井的封閉、坑道回填等)、天然障壁(場址地質環境特性)組成多重障壁系統以隔離放射性廢棄物。而處置場的地下設施將區分高放射性廢棄物與長半衰期中階放射性廢棄物之處置區域。

需要進行最終處置的高放射性廢棄物數量,會因用過核子燃料所採用的再處理狀況而有所不同。用過核子燃料全部進行再處理後的廢棄物體積最小,若停止再處理,廢棄物體積將大幅增加達5倍以上。

ANDRA預計於2017年完成包含試點營運計畫之處置場建設許可申請書,2020年開始建設處置場,2025年開始試營運。

法國高放最終處置坑道主要組件與廢棄物安置示意圖

法國高放最終處置場示意圖

法國Bure地下實驗室的展示中心圖

法國Bure展示中心原尺寸的地下隧道圖

資料來源:
Nuclear Power in France (Updated March 2020), WNA
https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-a-f/france.aspx

核電發展現況

日本原先運轉中之核能機組共有33部,總裝置容量為31,679百萬瓦(MWe),在2011年3月福島事故發生後全數關閉。2部核能機組在2015年8月和2015年10月重新啟動,此後又有7部重啟,還有18部處於重啟核准過程的不同階段,計畫目標2030年核能發電至少佔20%。

專責機構

2000年6月日本公布了「特定放射性廢棄物最終處置法」,以下簡稱「最終處置法」。對應最終處置法的實施,在2000年10月正式成立「原子力發電環境整備機構」(Nuclear Waste Management Organization, NUMO),作為主要施行最終處置的機構。

最終處置法中規定,核電廠所產生的用過核子燃料需經再處理、並將殘餘的高放射性廢棄物經玻璃固化後,於300公尺深的地下進行地質處置。2007年此法修正後,將超鈾(TRU)廢棄物也納入地質處置。而地質處置將以多重障壁系統加上人為的監控管理以確保其安全性。

多重障壁系統的第一層為玻璃固化體,由高放射性廢棄物與玻璃原料在高溫中於不鏽鋼容器中混合固化而成,可防止因地下水滲透而使放射性物質溶解出來。第二層為金屬製的外包裝(Overpack),可於玻璃固化體的輻射強度衰減至一定程度之期間內防止地下水與玻璃固化體接觸。第三層為緩衝材(黏土),包覆於外包裝周圍,除了可使水的流速變慢之外,也可吸附各種物質,降低放射性物質的遷移速度。第四層則為天然岩層,可降低地下水與物質的移動速度。

廢棄物最終處置方面主要的政府監察機關為經濟產業省(Ministry of Economy, Trade and Industry, METI),METI根據法律並採納原子力委員會(JAEC)和原子力規制委員會(NRA)的建議,制定最終處置的基本方針,每5年發佈新的最終處置計畫,由內閣會議審議決定。2015年5月最終處置的基本方針進行修正,確保可逆性和恢復自然,積極開發對未來最佳的處置方式。

最終處置計畫

由於最終處置場尚未興建,因此需將高放射性廢棄物置於中期貯存設施,此貯存作業由日本原燃株式会社(JNFL)負責執行。日本過去委託法國及英國進行再處理,處理過後透過安全的專用船送回日本,於貯存設施進行30~50年左右的安全貯存,等待廢棄物充分冷卻。

日本的「高放射性廢棄物貯存管理中心」於1995年開始接收國外再處理後送回的玻璃固化體,至2007年3月底已接收法國運回的1,310罐玻璃固化體,2010年則開始接收英國運回的玻璃固化體,共約有850罐,截至目前仍陸續運回日本中。

日本需實行深層地質處置的放射性廢棄物包含玻璃固化的高放射性廢棄物與TRU廢棄物。NUMO估計第一種放射性廢棄物之待處置量約有40,000罐;而第二種放射性廢棄物約有18,100立方公尺。最終處置設施由廢棄物運輸設備、處置坑道、接收設施、檢驗設施、容器封裝設施、通風設施、汙水處理設施、管理事務所等構成。NUMO目前正在進行場址選定,預計在2025年選定處置場候選場址,2035年開始最終處置。

日本高放貯存管理中心圖

日本高放最終處置概念圖

日本高放最終處置與多重障壁系統示意圖

選址程序與公眾溝通

日本《最終處置法》確立了三階段的選址調查程序,調查範圍從大到小,分別為第一階段的文獻調查、第二階段的概要調查,以及第三階段的精密調查。

2015年最終處置的基本方針進行修正後,選址程序亦隨之調整修正,在第一階段文獻調查前先讓政府進行全國科學特性審查,以地圖的方式呈現科學條件合適的地點,並在各地召開相關說明會,目的在與各地民眾「建立對話」,也希望有地方政府在了解最終處置後自願提出作為候選場址的申請。若有地質合適的地區,日本政府也需要主動向其建言,促請該地區市政當局一同合作,這也是基本方針在修改後所新增的內容。

2017年7月METI公布這份「科學特性地圖」,利用4 種不同的顏色來呈現,只要具有任何1 項地質不適合的條件的地區均以橘色標示,約占全地圖30% 的面積;未來有可能進行挖掘開採的地區則以銀色標示,占全地圖約5% 的面積,上述兩者均不適合當作處置設施的場址。橘色與銀色之外屬於「比較合適」的地區,以綠色標示,占全地圖超過60% 的面積,而這其中又再分成兩類,分別為靠近沿岸的深綠色以及內陸的淺綠色。

科學特性地圖公布後,NUMO 即以介紹此地圖為主軸,於2017年10月開始在全日本各地召開意見交換會,2018 年5月以科學特性地圖中標示綠色的地區為主,開始更大規模的「有關科學特性地圖 • 對話型說明會」,加深民眾對科學特性地圖、高放射性廢棄物最終處置與流程的理解。

NUMO亦解釋這些綠色的地區雖屬地質條件「比較合適」的地點,但仍要經過選址三階段程序詳細的鑽探、開挖等評估,才可確定其是否適合建立處置設施,因此只能說這些區域「有希望」,不是只要是綠色的區域就可在這些地方設立處置設施。NUMO強調,公布科學特性地圖是為了配合在各地召開的說明會,讓全國民眾可藉由這份地圖來了解地質處置,找尋可自願接納處置設施的地區。

在選址三階段調查程序中,各階段的調查結果完成後均會對外公布,但只要自願場址的縣市長、村町長在程序中表達反對繼續調查,程序將立即終止。自願的場址也必須完成整個選址流程,才可能進入到設施興建的階段。

日本高放最終處置科學特性地圖

資料來源:

Nuclear Power in Japan (Updated March 2020), WNA
https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-g-n/japan-nuclear-power.aspx
Japan's Nuclear Fuel Cycle (Updated April 2020), WNA
https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-g-n/japan-nuclear-fuel-cycle.aspx
The geological disposal program, NUMO
https://www.numo.or.jp/en/jigyou/new_eng_tab03.html
日本後端營運的公眾溝通,核能簡訊雙月刊180期,2019年10月