核废料自动化暂存库的环境与经济影响评估：基于新型监测平台的生命周期分析

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《Science of The Total Environment》：Environmental and economic assessment of the implementation of an automated nuclear interim waste store using novel monitoring platforms

【字体：大中小】 时间：2025年10月26日 来源：Science of The Total Environment 8

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　　为解决放射性废物暂存期间人工巡检带来的辐射暴露风险，研究人员开展了一项关于自动化监测技术（SiLiF/SciFi与LoRa平台）在核废料暂存库中应用的全生命周期环境与经济影响研究。结果表明：LoRa平台具有更低的气候变化影响（4741 t CO2 eq.）和经济成本（€641 M），且每避免1 mSv工人剂量对应的碳成本为23.4 kg CO2 eq.、经济成本为€18.48。该研究为核废料管理的安全性与可持续性平衡提供了量化依据。

随着核能应用的不断发展，放射性废物的安全管理已成为全球性挑战。欧盟预计到2030年放射性废物总量将达到351万立方米，其中大部分需要经过固化包装后进入暂存阶段，等待最终处置。在长达数十甚至上百年的暂存期间，废物包的完整性监测至关重要。传统人工巡检方式不仅效率低下，更使工作人员面临辐射暴露风险。国际原子能机构（IAEA）指出，废物包状态监测是确保处置系统安全的重要环节。然而，目前关于核工业后端处理过程的全生命周期环境影响研究仍较为缺乏。

为解决这一难题，科研人员开始研发自动化监测技术，通过远程实时监控减少人工干预。近期欧盟资助的PREDIS、CLEANDEM和MICADO等项目致力于开发新型监测平台。其中两种技术路线较为成熟：一是由意大利国家核物理研究院（INFN）开发的SiLiF中子与SciFi伽马射线复合监测系统，技术成熟度（TRL）达8级；二是由比萨大学开发的LoRa节点监测平台（TRL 5-6级）。这两种技术均具备模块化、低功耗特点，但它们的全生命周期环境与经济影响尚未明确。

本研究发表在《Science of The Total Environment》，首次对这两种自动化监测技术在放射性废物暂存库中的应用进行了从建设、运行到拆除的全生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）。研究人员建立了包含暂存库建设、监测系统生产、运行维护及最终处置的系统边界，以"一个暂存库的完整监测周期"为功能单位，采用ReCiPe 2016方法评估了18项环境影响指标。研究使用Sphera LCA软件进行建模，所有数据均来自技术开发者的直接提供和ecoinvent数据库。

关键技术方法包括：1）基于实验配置的监测系统物料清单量化；2）暂存库建模采用瑞士设计容量为10,000立方米、运行100年的标准库房；3）监测比例设定为5%废物桶（50,000个桶中2,500个被监测）；4）运输假设基于中国至意大利的典型路线；5）成本计算采用国际原子能机构2009年数据并通过投标价格指数调整至2024年价值。

研究结果揭示：

3.1. 环境影响

整个暂存库生命周期中，库房建设是最大的环境影响来源（平均贡献92%），监测系统生产次之。LoRa平台的全生命周期气候变化影响为4741 t CO₂ eq.，较SiLiF/SciFi系统（4837 t CO₂ eq.）低2%。这种差异主要来自运行能耗：SiLiF/SciFi需每2.5年充电一次，每小时耗能20 mWh；而LoRa每日仅需0.9 mWh，节能96%。

3.1.1. SiLiF/SciFi监测器

单个SiLiF监测器的气候变化影响为5.58 kg CO₂ eq.，其中聚乙烯调节剂盒贡献41%，铝盒贡献22%，印刷电路板（PCB）贡献12%。SciFi监测器为1.88 kg CO_{2 eq.，PCB占35%。PCB的高影响主要来自铜材的高能耗生产过程。}

3.1.2. LoRa节点监测平台

单套LoRa平台气候变化影响为44.8 kg CO₂ eq.，中子探测器占41%，LoRa节点占35%。铜电缆在生态毒性类别中影响显著。

3.2. 生命周期成本

SiLiF/SciFi系统的总成本为€656 M，LoRa系统为€641 M。库房运营成本占主导（€450 M），监测系统本身成本分别为€24 M和€9.5 M。电池选择差异导致成本差异：SiLiF/SciFi使用可充电锂离子电池，LoRa使用一次性碱性电池。

3.3. 敏感性分析

将监测比例从5%降至1%可减少环境影响6.3-8.8%，其中淡水生态毒性（FET）、金属损耗（MD）和人类毒性非致癌（HTnc）类别减少最多。将钢制监测支架改为HDPE材料可降低气候变化影响89%，所有毒性类别减少>95%。金属部件回收可带来显著环境效益，铝回收可减少气候变化影响22-23%。

3.4. 工人与剂量

自动化监测可减少工作人员通勤和辐射暴露。每避免1 mSv剂量，SiLiF/SciFi系统产生37.44 kg CO₂ eq.碳成本和€48.42经济成本；LoRa系统为23.4 kg CO₂ eq.和€18.48，远低于行业指导值（€134/mSv）。

研究结论表明，自动化监测技术在放射性废物暂存库中的应用可实现安全性与可持续性的平衡。LoRa平台在环境和经济性能上略优于SiLiF/SciFi系统，但两者都能显著降低工人辐射剂量。监测系统本身的环境影响主要来自PCB生产和金属部件加工，通过优化监测比例、改进支架材料和回收金属部件可进一步降低影响。

该研究的重要意义在于首次量化了核废料自动化监测系统的全生命周期影响，为技术选择和政策制定提供了科学依据。未来研究应关注监测数量的优化、替代材料、能源选择以及长期系统可靠性，同时需要权衡减少工人剂量与增加环境成本之间的社会经济影响。这些发现对推动核废料管理的技术创新和可持续发展具有重要指导价值。

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