第2卷第6期地下空间与工程学报Vo.l2

2006年12月.2006

文章编号:(2006)

地下盐穴处理核废料的方法

丁国生,谢萍

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊)

摘要:核废料对环境和人类安全具有较大危害,如何安全高效处理常常是困扰人类的棘

手问题,目前认为有效的处理方式是深部埋藏处理,利用盐穴进行核废料的深埋处理是一种较

为安全的方法。盐穴就是在地下盐层中通过钻井,利用水循环的方法,将盐层溶解,最终形成

一个体积较大的空洞。利用地下盐穴可以进行各种工业废料的埋藏处理,特别是对具有放射

性污染的核废料。建设埋藏放射性核废料的盐穴需要选择地质条件好,具有良好封闭性的盐

层中,造穴方式主要是通过水溶洗盐形成地下溶洞。埋藏核废料需要通过一系列的特定工艺

才能完成,放射性核废料埋藏处理后需要进行监测以防止产生污染事故。一般来说,由于地下

盐穴埋深大、盐穴封闭性好,具有较高的安全性。利用盐穴进行核废料的埋藏具有费用低、容

量大、占地少、安全性高等优点,是一种可以推广应用的核废料处理新方法。

关键词:盐穴;造腔;核废料;处理

中图分类号:TD163.3文献标识码:A

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1引言

随着人们对环境问题的日益关注,环境保护已

经成为全世界共同关注的焦点,环境保护已经深入

到社会生活的各个领域,人们日常生活中需要注意

保护自己的周围环境外,尽量减少各种各种垃圾,

以减轻对环境的压力。但社会要发展,人们生活水

平要提高,在社会生活的各个领域会不可避免的产

生各种工业的垃圾,这些垃圾或废料有时由于其本

身的特性,可能具有放射性、毒性,不易处理或处理

*收稿日期:(修改稿)

作者简介:丁国生(1966),男,江苏如皋人,博士,高级工程师,从事油气地下储备库技术研究,现为中国石油勘探开

发研究院廊坊地下储库中心主任工程师。Emai:

过程中会产生较大的二次污染,对于这些废料的处

理目前还没有更多的好办法,如工业中产生的大量

的核废料、大量的化学废料、农业生产中的许多过

期的化肥农药等等,很多时候对那些无法处理的废

料往往进行集中填埋的方式进行处理,这一方式不

仅要占用大量的地表面积,而且费用高,安全性也

值得关注。目前在国外,已经有国家在利用和准备

利用人造地下盐穴进行工业废料的填埋,特别是许

多放射性废料,包括核废料的填埋,将核废料埋到

地下1000m下的人造盐穴中,具有安全性高、费

用低的优点,正受到越来越多的关注。

2盐穴的利用现状介绍

2.1盐穴的基本概念

所谓盐穴就是在地下盐层中通过钻井,利用水

循环的方法,将盐层溶解,最终形成一个体积较大

的空洞。该方法广泛应用于盐岩矿床的开采中。

盐穴的形成需要大量的淡水进行溶解,每形成

1m

的洞穴,需要7-10m

的淡水进行冲洗。根

据不同的地质条件,单个盐穴的体积从1-40

104m

不等。

2.2国内外盐穴利用情况介绍

盐穴最初的利用主要是进行石油和天然气的

储存,是作为储备库来使用的。美国人首先利用盐

穴进行储气,并于1959年建成世界上第一个盐穴

地下储气库。在随后的40年里,利用盐穴进行石

油天然气的存储就得到了很大的发展。到目前为

止,世界上有1000多个用于除采盐以外的各类目

的的盐穴

[1]

,分布在美国、加拿大、德国、法国、英

国、俄罗斯、澳大利亚、土耳其、阿根廷、泰国等几十

个国家, 仅美国就在墨西哥湾附近的盐层中利用盐

穴储备原油 7  108桶。

随着盐穴用途的不断拓展, 盐穴开始用于各类

难于处理的工业废料的填埋, 利用盐穴进行废料的

填埋已经有了近 20年的历史, 比较成功的主要是

德国和美国, 但规模还比较小。利用盐穴对特别难

以处理并且很容易产生二次污染的废料的处理, 特

别是核废料的处理, 在美国和德国等国家已经研究

多年, 并且已经取得成功, 盐穴今后会成为核废料

处理的主要方法之一。

由于盐穴作为重要的地下空间资源, 具有很高

的利用价值, 因此盐穴利用比较成功的美国、德国。

法国等欧美不少国家都有相应的专业研究机构专

门从事地下盐穴的研究, 研究内容包括适应不同地

质条件的造腔工艺、溶腔模拟、稳定性研究和评估、

储存方式和储存工艺等等。同样也具有一批专业

公司进行盐穴的运营并形成产业, 从中取得较大的

商业利润。

中国在盐穴的利用方面也已经开始起步, 在中

国江苏省金坛市, 西气东输配套地下储气库工程就

是利用盐穴作为储气设施储存天然气, 用于季节和

应急调峰, 该工程开创中国盐穴地下空间利用的先

河。

3 盐穴处理核废料的原理及方法

3. 1 建造盐穴的基本地质条件

盐穴的建造一般选择在盐层厚度大、分布稳定

的盐丘或盐层上, 选择盐穴建库要遵循以下几条原

则

[ 2]

:  盐层厚度大, 无断层影响; ! 盐层品位高,

便于水溶造腔; ∀ 顶板强度大, 有利盐穴的安全; #

盐层内部夹层少、厚度小, 有利造腔; ∃埋深一般大

于 400 m; %水源充足, 保证造腔用水。

以上几个条件只是建设盐穴储存库的几个原

则, 在具体落实到某个具体的建库地址时, 需要进

行大量的地球物理勘探, 搞清盐层的分布, 掌握盐

层的分布特征非常重要。另外, 除搞清盐层的分布

特征外, 另一个非常重要的方面就是搞清建库区域

的地质特征, 包括水文地质、矿产地质、地质力学、

地震地质等等, 保证盐穴储存库的建设对局部地质

环境不造成破坏而避免对环境的影响。

要达到以上要求, 对盐的盖层提出较高的要

求, 因此, 盐层本身的地质特征和盐岩盖层是研究

的关键。

3. 2 盐穴建造方法

盐穴的造腔首先在于溶腔的设计, 溶腔的设计

是关系到储存库的稳定性的一个关键, 溶腔设计需

要运用地质力学、岩石力学、工程力学、流体力学等

多方面的理论进行优化, 最终设计出满足储存和埋

藏各类特定物质要求的溶洞。针对不同的地质条

件, 可以设计出不同形态和大小的溶腔, 一般来讲,

溶腔的体积在 2  104 m

- 50  104 m

, 直径在

20m - 80m 左右。

根据不同地质条件所设计的溶腔, 需要通过一

系列的造腔工艺才能完成。造腔过程主要是通过

钻井洗盐来完成。造腔过程过程如下图所示

( 图 1):

作为储存库, 钻井造腔一般采用大井眼。钻井

造腔过程中, 在钻到盐层的设计造腔深度后, 下套

1069 2006年第 6期丁国生, 等: 地下盐穴处理核废料的方法

图 1 盐穴造腔过程示意图

Fig. 1 of salt

管固井, 然后再在套管内下入两层管柱, 即中间悬

挂管和中心悬挂管, 然后通过中间悬挂管与中心悬

挂管之间的环型空间注入清水, 清水洗盐后通过中

心悬挂管采出, 经过长时间的循环后, 会在盐层中

形成大的溶洞。但以上方法需要配合改变中间悬

挂管和中心悬挂管的高度和相对位置, 并在溶洞的

顶部通过套管注入非溶剂来实施, 以防止清水不断

向上溶解造成盐层顶板的垮塌而使造腔过程失败。

一个溶腔的形成需要经过很长的时间, 在溶腔

形成过程需要进行模拟分析预测溶腔的形成过程

和形态, 并要不断监测溶腔的形态的监测

[ 2 ]

, 以保

证形成达到设计要求的溶腔体积与形状。溶腔形

成后, 通过注气排水, 将溶腔中的卤水全部排出, 并

保持溶腔内部具有一定的压力, 保持溶腔的稳定。

溶腔造成后, 即可以进行各种物质的储存和废料的

填埋。

3. 3 核废料的填埋处理

核废料包括各类放射性废料产生于包括核能、

医疗、化工、军事等许多领域, 核废料按照其放射性

强弱又可以分成低放射性、中等放射性和高放射性

三类。在大量产生的放射性废料中又以低放射性

的废料为主, 体积占总量的 90%, 而其放射性仅占

总量 1%; 高放射性废料体积占总量的 1%, 而放射

性却占总量的 90%以上, 目前虽然没有精确统计

资料反映全世界每年产生的放射性核废料总量, 但

估计有可能超过 50  104 m

, 据有关资料显示, 早

在 1995年全世界产生的放射性废料总量就已经达

到 43  104 m

左右 ( 表 1)。有资料显示, 中国到

2010年, 将有 1 000 t以上的高放射性核废料需要

进行处理, 目前各国除了 1%的高放射性物质需要

使用特殊方式进行处理外, 大量的中低放射性废料

的基本上都是采用近地表填埋的方式进行处理的。

表 1 1995年全世界放射性废料的总量 单位: m

Table 1 Tota of

of the world in 1995

地区 低放射性 中放射性 高放射性

欧洲和太平洋地区 17200 12300 1600

北美洲 12300 8800 1200

俄罗斯及东欧国家 8

其他地区 25000 1800 240

合计 40240

几十年来, 世界各国对高放射性核废料处理技术进

行了广泛的研究, 经过对各种方法评估比较后, 深

地质处置法成为最佳选择, 即将高放射性核废料保

存在深入地下几百米处的特殊处置库内, 目前有很

多国家都在进行深部花岗岩核废料处置库的选址,

但由于受到地质、地理、人文环境和开凿工程量等

方面的限制, 还没有一座真正意义上深部花岗岩地

下核废料处置库。由于核废料的高度危险性, 一旦

处置库选址不当, 将造成无法挽回的损失, 而深达

1000- 2000多 m 的地下盐穴由于造腔方式简单,

埋深大, 盐层具有比花岗盐还要致密等优点, 无疑

是建设深部地下核废料处置库的理想的选择。

利用盐穴进行核废料的深埋处理是一个比较

复杂的工艺过程。

在盐穴造腔完成之后, 首先在井筒内下入中间

悬挂管和中心悬挂管的同心管柱组合进行排卤, 中

间悬挂管下到溶腔的顶部, 中间悬挂管下入溶腔底

部, 排卤原理是利用空气压缩机向中间悬挂管和中

心悬挂管之间的环空中注入空气, 利用注入空气的

压力将溶腔中的卤水从中心悬挂管中采出, 待卤水

全部排出以后,在井口安装密闭承压装置, 使溶腔

内保持恒定的压力, 并采用不压井装置取出井内的

排卤管柱, 完成核废料填埋前的溶腔准备工作。图

2是填埋处理过程示意图。核废料在埋入盐穴前

需要进行装箱处理, 按井筒尺寸大小, 将核废料装

入直径小于井筒套管内径、长度 3- 5 m 的筒形防

辐射处置箱中, 装箱后, 经过吊车送入经过密闭的

井口, 再通过缆绳送入井底, 最后落入盐穴中, 在整

个过程是在通过安装在井口的密闭装置中进行的,

井口要维持一定的压力, 保证地下溶腔处于高压状

态, 保持溶腔的稳定。在废料填基本填满溶腔后,

通过水泥车由井筒向溶腔内灌注水泥浆, 充填溶腔

1070 地 下 空 间 与 工 程 学 报第 2卷

内废料罐之间的空隙, 达到夯实的作用, 最后在井

筒中注水泥固井, 完成整个核废料的填埋过程。

图 2 核废料在盐穴中埋藏过程示意图

Fig. 2 of d

in salt

利用盐穴进行核废料的填埋的主要优点有以

下几个方面: 一是安全性好, 符合环保要求, 将废料

埋藏在地下 1000 m 以下的盐层中, 由于盐层本身

具有封闭性和抗泄露的特点, 可以长时间的安全的

埋在地下, 具俄罗斯科学家模拟预测, 埋藏在盐穴

中的核废料, 经过 300年的时间, 在盐层中的穿过

盐体的污染距离仅 8 m; 二是费用较低, 建设盐穴

核废料处置库的成本仅为花岗岩处置库成本的 1 /

4- 1 /5, 其费用就低于地表埋藏; 三是占地面积小,

可以节省很大的地表面积。

3. 4 安全性评价与检测系统

利用盐穴进行核废料的埋藏处理必须进行一

整套的安全评价, 评价内容包括盐穴稳定性评价、

溶腔密封性评价、水文地质评价、环保评价和地震

灾害评价等。

对于进行核废料埋藏的地下盐穴必须进行定

期的放射性检测, 以确保对废料埋藏区的环境安全

监控。监测的主要内容包括土壤、地下水、和大气,

监测的方法主要是通过对埋藏区不同深度的地下

水和土壤进行定期监测, 以确定埋藏区内环境是否

受到地下核废料的辐射污染。监测的要求随距离

埋藏井位的距离的不同而不同, 距井口 100 m的范

围以内属于严密监控区, 1 000 m 范围以内属于卫

生防护区, 5 000m 范围以内属于加强观测区。

如果经过观测一旦发现埋藏区附近受到辐射

污染应采取相应措施保障附近居民的安全。由于

盐穴埋藏核废料具有较高的安全性, 而且废料一般

埋深较大, 超过 500m, 一般不会出现污染的情况。

4 我国盐穴核废料储存技术的应用前景

由于花冈岩具有致密、坚硬, 宜于进行地下开

挖工程施工, 而且我国在地下岩土工程的施工方面

已经积累了比较丰富的经验, 因此国内专家对利用

花岗岩开挖实施核废料的处置高度重视和具有浓

厚的兴趣。而地下盐穴储存技术虽然在国外已经

有了 50多年的历史, 但在国内还是一门新兴的领

域, 因此在利用盐穴进行核废料的处理上还需要进

行进一步的深入探讨和研究。

尽管如此, 在我国具备利用盐穴进行核废料处

理的条件。通过加强前期基础研究, 完全可是实现

该领域的突破。

利用盐穴建设地下核废料的储存库首要条件

是必须具备建造储存库的地质条件。

我国是一个产盐大国, 同时也是一个地下岩盐

资源丰富的国家, 岩盐资源分布在从西部的新疆、

青海到东部的江苏、山东, 从北方的内蒙、辽宁到南

方的广东、云南等在内的 20多个省、市、自治区

[ 3 ]

地下岩盐厚度从几米到几百米, 面积从几十个平方

公里到上百平方公里。具备了建设各类核废料储

存库的地质条件。

国内不仅具备了相应的地质条件, 同时还基本

具备了建设放射性核废料储备库的技术条件。目

前国内有许多井盐开采企业, 其盐矿开采技术与建

造盐穴地下储备库的溶腔建造技术相似, 通过改

进, 加强溶腔的控制, 并采用大井眼钻井, 即可达到

要求, 而且, 由于国内很多盐矿企业由于多年的开

采已经在地下形成很多溶腔, 这些溶腔经过测定和

改造后完全可以用来储存核废料。

在前期研究方面, 建造地下核废料储存库需要

发展超大井眼钻井技术和固井技术, 同时还需要研

制部分设备, 包括声纳溶腔测定设备、核废料的填

埋处理设备。在地质选区方面, 需要进行盐岩地质

和选区评价, 优选盐层埋深大、盐层厚、远离人口密

集区地下盐体。但无论从技术角度还是从技术难

度上讲, 的从技术难度上讲, 国内均已经具备开展

前期研究准备的地质条件和技术条件。

( 下转第 1080页)

1071 2006年第 6期丁国生, 等: 地下盐穴处理核废料的方法

主要裂纹的方向开裂。

图 4 单一微裂纹的断口形状

F ig. 4 shape of

6 结论

本文通过分析得到以下结论

( 1)岩石的断裂角只与裂纹和荷载方向的夹

角有关, 而与加载应力无关。

( 2)在单轴压缩荷载作用下, 随着荷载的增加

单一微裂纹将呈现折线型的发展趋势。

( 3)由于岩石中微裂纹存在的不规则性及多

样性, 导致岩石破裂时的形态与只有单一微裂纹时

的形态存在较大的差异, 岩石破坏时, 将沿着几条

主要裂纹的方向开裂。

参考文献:

[ 1] 李贺, 等. 岩石断裂力学 [M ]. 重庆: 重庆大学出版

社, 1988

[ 2] 洪起超. 工程断裂力学基础[ M ]. 上海: 上海交通大

学出版社, 1987

[ 3] 许江, 李贺, 鲜学福 对单轴应力状态下砂岩微观断

裂发展全过程的实验研究 [ J]  力学与实践, 1986,

( 4) : 16- 21

( 上接第 1071页)

从应用角度看, 核技术目前在国内已经广泛应

用于各个行业, 中国目前已经在江苏、浙江、广东地

区建起了三座核电站, 随着核能的开发利用, 会有

更多的核设施服务于中国的经济建设和国防建设,

也将会有大量的核废料需要处理。因此该技术具

有广泛的应用前景。

5 结论

利用盐穴进行放射性工业废料的填埋处理已

经在国外得到很好的利用, 具有安全性好、费用低、

容量大、符合环保、节省地表面积等很多。

优点, 随着我国核军事的发展和核能的开发利

用, 也不可避免的会产生相当的具放射性的工业废

料, 利用盐穴进行埋藏处理可以有效地减少放射性

污染, 保护生态环境。除了进行核废料的埋藏处理

外, 各类难处理的工业废料也都可以利用该项技术

进行处理, 利用盐穴进行工业废料的处理是一项具

有广泛前景的实用技术, 值得在我国进行推广。

参考文献:

[ 1] 丁国生, 李文阳. 国内外地下储气库现状与发展趋势

[ J]. 国际石油经济, 2002, ( 6): 23- 26

[ 2] 华爱刚, 等. 天然气地下储气库[ M ]. 石油工业出版

社, 1999

[ 3] F. , Regu , techn ical

more U. S. salt- gas [ J].

um of C IM, 1995, ( 2) : 169- 171

[ 4] 朱训, 尹惠宇, 项仁杰, 等编. 中国矿情 ( 第三卷 )

[M ]. 北京: 科学出版社, 1999

1080 地 下 空 间 与 工 程 学 报第 2卷

阴阳污水加酒 三维微电解工艺处理医药中间体废水

医药中间体废水特点：

医药中间体废水是一些用于药品合成工艺过程中的一些化工原料或化工产品，其过程中产生的废水具有排放量大、成分复杂、有机物浓度高、可生化性差等特点，导致处理的难度比较大。

三维微电解工艺是电化学污水处理的一中工艺，森洋三维电解工艺是利用规整型高效电化学氧化填料及配套处理设备形成的反应系统对废水进行处理。

三维电解设备

1.三维微电解处理医药中间体废水的原理

本系统工作原理基于电化学、氧化--还原、物理吸附以及絮凝沉淀的共同作用对废水进行处理，系统通水后利用电化学氧化填料自身产生的电位差，在设备内形成无数原电池，原电池以废水做电解质，通过阴阳极的放电形成对废水的电化学处理，进而达到对废水中有机物进行电化学降解的目的。

2.三维微电解工艺处理废水优势

该法具有适用范围广、处理效果好、成本低廉、操作维护方便等优点。用于难降解、高有机物浓度、高含盐量的废水的预处理不但能大幅度地降低COD和色度、使苯类开环断链，而且可大大提高废水的可生化性。用于废水的末端深度处理，可有效降解废水中的污染物浓度。

3.三维微电解工艺的技术特点

(1) 反应速率快，根据废水的水质不同，工业废水的处理时间只需要半小时至数小时；

(2) 作用有机污染物质范围广，如：含有偶氮、碳双键、硝基、卤代基结构的难降解有机物质等都有很好的降解效果；

(3) 工艺流程简单、使用寿命长、投资费用少、操作维护方便、运行成本低、处理效果稳定。处理过程中只消耗少量的多元催化氧化还原填料，只需定期添加无需更换，添加也无需进行活化直接投入即可。

(4) 具有良好的混凝效果，色度、COD去除率高，同量可在很大程度上提高废水的可生化性。不但可以有效的降解废水中的有机物、脱除部分盐类等，并可有效地提高废水的可生化性。