本文指出了废物包装容器的重要性，提出了包装容器具有的主要功能；介绍了选择容器材料需要考虑的因素，分析了主要活性材料和惰性材料的优势和不足；综述了主要废物处置国家的废物包装容器设计；探讨了我国高放废物包装容器研究过程中与腐蚀相关的若干问题。

由于高水平放射性废物（简称“高放废物”）含有比活度高、发热量大、毒性大、半衰期长的核素，如 239Pu、241Am、231Np、99Tc、129I 等，为了避免或减少其对生态环境和人类健康造成危害，需要将它们与人类生存环境长期、可靠地隔离。目前，将高放废物隔离在地下数百米的深地质处置是最为认可的技术路线。20 世纪 80 年代初，曾提出高放废物处置库设计的有效隔离时间为 300 ～ 1000 a，随着对长寿命核素毒性对环境影响的深入认识，目前已要求设计的处置库隔离废物的时间长达万年、十万年乃至百万年，如表 1 所示。为实现这一目标，主要高放废物处置国家设计了以“废物固化体 / 包装容器 / 缓冲回填材料 / 地质屏障”为典型的高放废物深地质处置的“多重屏障系统”。

其中，确保深地质处置环境下容器的长期完整性是高放废物处置的研究方向之一。

近 40 年来，主要高放废物处置国家针对各自特定处置库环境、包装容器寿命需求等开展了容器材料选择、容器结构设计研究。国外关于高放废物包装容器的研究经验对我国开展相关工作具有积极的借鉴意义。

高放废物包装容器的重要性和功能包装容器的安全状况可以跟踪监测，不确定因素相对少，可信度高，因此是多重屏障系统中唯一的绝对屏障（Absolute barrier），它的相对重要性主要取决于处置库地质构造的固有不确定性。包装容器在废物处置不同阶段的功能要求包括：①在废物操作 / 监控阶段 （30 ～ 50 a），包装容器及其中的废物可回取，因此容器要能够确保放射性物质的封闭和屏蔽，而且要方便远程处理；②高放射毒性阶段（300 ～ 500 a），包装容器要实现对核素的绝对封闭；③监管期间，包装容器要能够提供废物隔离；④容器失效后，包装容器要能够提供优良近场环境，作为放射性核素传输障碍存在，即控制水的扩散、保持还原性环境、限制放射性核素传出容器、腐蚀产物（铁或铜氧化物 / 氢氧化物等）吸附放射性核素。

高放废物包装容器材料高放废物包装容器材料的选择取决于很多因素，包括预期寿命、处置环境、成本（材料、加工、处理、容器的数量）、是否易于焊接密封和检验，原材料是否容易获得。

主要高放废物处置国家在选定处置库围岩的基础上开展了容器材料选择、容器材料对均匀腐蚀和潜在局部腐蚀敏感性研究，确定了各自的包装容器候选材料和备选材料，如表 2 所示。

由于各个国家处置库设计和地质条件不同，容器选材方面均有自己的特点，选择的包装容器材料包括活性材料（碳钢、铸铁、铜）和钝化材料（不锈钢、钛合金、镍基 （Ni-Cr-Mo） 合金）两大类材料。

其中，碳钢和铸铁腐蚀过程中受关注的研究内容主要包括氧导致的均匀腐蚀，氧和盐共同作用导致的点蚀，可能发生的生物腐蚀和应力腐蚀等；它们作为包装容器候选材料的优势在于其较高的结构强度、较低的成本、较好的焊接性能和可检验性、拥有较多的考古类似物和大量的工程结构经验，而且其腐蚀产物 Fe 2+ 和 H 2 作为还原剂有助于维持处置库的局部还原条件。

铜腐蚀过程中受关注的研究内容包括氧和地下水共同作用、或者水和硫化物共同作用导致的均匀腐蚀，氧和盐共同作用导致的点蚀，可能发生的生物腐蚀和应力腐蚀等；它们作为包装容器候选材料的优势在于缺乏氧气和硫化物时的热力学稳定性，可预测的腐蚀，存在自然 / 人工考古类似物，以及较高的监管认可度，不足之处在于较低的力学强度，较差的可检验性，较高的成本。

钛合金、镍合金和不锈钢等钝化材料的腐蚀速率低，但是它们的成本高，而且对局部腐蚀存在不同的敏感性，如钛合金对氢致腐蚀的敏感性，不锈钢对生物腐蚀和应力腐蚀的敏感性等。

高放废物包装容器设计主要废物处置国家在选定处置库主岩的基础上，针对各自潜在处置环境分别进行了包装容器设计。容器设计过程中，考虑的因素主要包括耐腐蚀性，避免核临界，辐射屏蔽以便于安全操作，易于制造、焊接和远程检查，以及机械鲁棒性。其中，容器材料的耐腐蚀性能是开展包装容器设计的前提和基础。

瑞典和芬兰针对乏燃料选定的处置库主岩是结晶岩，确定的缓冲/回填材料都是膨润土，其地下水盐度为0.1～1.0mol/L，包装容器内层为 5cm 厚的铸铁、外层为 5cm 厚的铜的双层容器设计，如图 1 所示，满负载总重约 24.6 t。瑞典和芬兰的处置库设计中，对包装容器的要求较高：腐蚀寿命不低于 105a，容器需求 5000 个。

加拿大借鉴瑞典和芬兰的包装容器设计 , 确定其候选包装容器为：内层为 8 ～ 10cm 厚的碳钢、外层为 2.5 ～ 3.0cm厚的无氧磷掺杂纯铜；容器长度为 3.4 ～ 5.2m，满负载总重约 23.5t。

比利时针对乏燃料和高放废物选择的处置库主岩为沉积岩或花岗岩，其处置深度为 180 ～ 280m，处置环境为低盐度地下水，其包装容器为水平混凝土网络结构，如图 2 所示，结构外包装为 3cm 的碳钢、包层为不锈钢以应对可能的应力腐蚀，两者中间的混凝土提供碱性环境以减少腐蚀，特别是避免局部腐蚀。比利时的处置库设计中，对高放废物包装容器和乏燃料包装容器的腐蚀寿命需求分别为 500a 和2000a，容器需求 10000 个。

法国主要考虑在粘土岩水平处置废物，同时也考虑花岗岩作为主岩，其处置深度为 417~552 m。由于其处置废物主要为液体废物，需要防止▼腐蚀，因此其包装容器为内层为不锈钢、外层为5.5cm厚碳钢的双层容器设计，如图3所示，容器的腐蚀寿命需求为 1000a。在法国的处置库概念设计中，明确提出包装容器在 300a 内“可回取”的要求。

德国针对高放废物和乏燃料的处置库位于 880m 深的盐岩中，确定的回填材料为粉碎盐，包装容器可能处于高腐蚀的含盐环境中（“Q-brine”：27%MgC l2 ，5%KCl，1%NaCl，1%MgSO 4 ，66%H 2 O，pH=4.6，55℃ ），因此其选择昂贵的耐蚀材料作为包装容器材料，如哈氏合金 C4、C22、G30 等和科洛伊合金 625、800 等。德国设计的一种包装容器也是双层容器结构：内层为 16cm 厚的碳钢，外层为哈氏合金。

西班牙针对乏燃料的处置库主岩为花岗岩，其处置深度约 250m，包装容器设计为单层碳钢容器。处置廊道由膨润土挡墙和混凝土塞密封，回填材料为膨润土；出入廊道中填充粘土和砂混合物，如图 4 所示。

瑞士针对乏燃料和高放废物选择低渗透性 Opalinus 粘土岩作为处置库主岩，盐度大约为 0.2mol/L，但 Opalinus 粘土中含有黄铁矿 FeS 2 ，可能生成硫化物和硫酸盐，因此生物腐蚀是其关注的研究内容之一。瑞士的包装容器设计要求较高：腐蚀寿命高于 10000a，其候选的包装容器设计为 15cm厚的单层碳钢容器，或者铜容器。

美国针对乏燃料和高放废物，选择凝灰岩作为处置库主岩，而且处置库位于地下水位上方，这与其它废物处置国家均有所不同。美国的处置库概念设计中，明确提出容器不回填，确保在 10000a 的管控周期内可回取，对包装容器的设计要求很高。一种候选的包装容器设计为：316 核级不锈钢用作内层容器，2.5cm 厚的 Ni-Cr-Mo（W） 合金 22（Alloy22）作为外层容器，2~3cm 厚的含 Pd 钛合金用作滴水罩，如图 5 所示。包装容器需求大约为 11000 个。

高放废物包装容器腐蚀影响容器腐蚀的环境因素包括温度、湿度、孔隙水化学、氧化还原条件、微生物活动和作用于容器的负载。处置库关闭后，由于放射性废物放热，环境温度逐步升高到80～100℃；废物放热完毕，环境温度逐步降低到初始温度，高放废物深地质处置环境由高温有氧膨润土不饱和状态逐渐转变为低温无氧膨润土饱和状态，如图 6 所示。包装容器在干燥空气中腐蚀有限，在饱和 （ 水 ） 溶液条件下的腐蚀研究较为充分，而未饱和条件下的腐蚀复杂，因此，包装容器在不饱和回填材料中的腐蚀是研究的重点和难点。

处置库关闭密封后，氧气难以再传输进入处置库；与粘土 / 碎石中的矿物质和有机物的反应将消耗部分氧气，因此导致腐蚀的氧含量是有限的。局部腐蚀（如点蚀和应力腐蚀）过程的持续需要氧和水支持，因此，局部腐蚀的敏感期是有限的。部分饱和粘土中的腐蚀可能导致点蚀，与水滴导致的腐蚀类似。

高放废物包装容器长期腐蚀预测主要高放废物地质处置国家针对废物包装容器材料的长期腐蚀预测及其方法开展了大量研究，如表 3 所示。

预测均匀腐蚀的最常见方法，是将测量得到腐蚀速率数据（通常采用重量法获得）外推。由于处置库中氧含量有限，该方法主要用于无氧腐蚀阶段的长期腐蚀预测。考虑到腐蚀产物的钝化作用对腐蚀速率的影响，一般需要获得相对长期的现场实验数据（至少 5 ～ 10a）。此外，一种反应扩散模型与腐蚀电位模型相结合的方法已经用于膨润土中铜容器的长期腐蚀预测研究，该方法的研究结果与重量法的研究结果一致。

多种方法用于预测不同容器材料的局部腐蚀行为。对于不耐蚀材料（碳钢、铜），主要是利用经验数据得到点蚀率、腐蚀深度随时间的变化并进行外推。对于耐蚀材料，研究发现，不锈钢在水泥回填结构中不发生局部腐蚀；膨润土回填结构中，有限的氧含量导致 Ti 合金的局部腐蚀有限；基于阈电位准则和发生后是否快速扩散假设以明确是否发生缝隙腐蚀的方法已经用于合金 22 局部腐蚀的长期预测。

通常认为，在处置库时间尺度范围内，拟选的包装容器材料发生应力腐蚀断裂的敏感性较低。反之，如果研究发现，某个材料对应力腐蚀较为敏感，将有充足理由排除该材料的候选资格。

迄今为止，主要研究了碳钢和钛合金的氢致腐蚀（氢致退化机制）。对于碳钢，候选的低强钢被认为对氢致腐蚀不是很敏感，处置库中难以吸附足够氢浓度。钛合金的情况不同，一旦有足够氢被吸附，钛将与之反应生成氢化物。因此，关键是确定氢的吸附速率和氢破坏的临界浓度。临界吸氢浓度和临界氢化物层厚度已被开发用于上述两种钛合金的长期腐蚀预测。

大量研究试图预测生物腐蚀的程度。其中，基于处置环境中可用的有机碳和硫化物，提出了一个根据重量法、利用均匀腐蚀的倍率的评估方法。

结论与建议确保包装容器的完整性是高放废物处置的研究方向之一，本文简要介绍了主要废物处置国家的高放废物包装容器研究进展。主要高放废物处置国家在选定处置库主岩的基础上，针对各自特定处置库环境、寿命需求等分别开展了容器材料选择、容器结构设计，并围绕候选材料在模拟处置环境下的腐蚀机理开展了大量探索研究。

提高高放废物包装容器使用寿命的方法主要有以下两种方式：①选择抗腐蚀性强的材料；②加厚容器壁厚度。为阻滞核素迁移，主要废物处置国家的处置库设计大多采取多重工程屏障系统，包括废物体、废物体容器、包装容器、缓冲材料 （ 或防水罩 ）、回填材料、围岩介质等。其中，包装容器是其中的屏障之一，但不是唯一。因此，设计上需要注重发挥多重屏障系统的整体功能，避免不必要的资源浪费，应依据我国国情、经济可承受性，综合考虑工程总体需求、成本和耐蚀性进行设计。

根据短时间内容器材料腐蚀数据推测数千年、上万年、数十万年容器腐蚀行为，是目前国外通用的做法。但由于材料的腐蚀行为是时间的函数，为使容器腐蚀性评价更接近实际，需尽早开展研究，获取尽可能长时间段内的材料腐蚀特征数据，使容器腐蚀性评价更接近实际。另外，通过短时间的局部试验结果，推测数百倍、数千倍于试验时间段内材料的腐蚀，存在较大的不确定度，如何确保外推数据具有可信度，需要探索并建立科学的方法。