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  長壽命核廢料(包括乏燃料)必須長期同人類和環境隔絕。把這些廢料存放在穩定地質構造中人工建造的地下儲存所(repository)是一種可行的方案。國際裂變材料專門委員會(International Panel on Fissile Materials)曾表示:  “廣泛接受的看法認為,乏燃料、核燃料再處理的高放射性廢物以及鈽廢料需要在妥善設計的場所存放幾萬年到一百萬年,以減少其放射性對環境的汙染。同時,必須確保鈽和高濃縮鈾不被用於軍事目的。一個基本的共識是,把乏燃料存放於地下幾百米的儲存場所要比將其堆放在地表更安全。”  非洲克洛天然核反應堆證實了天然地質構造可以有傚地隔離放射性核廢料。在其運轉過程中,該反應堆共產生了5.4噸裂變產物、1.5噸鈽以及其他超鈾元素。這些鈽和其他超鈾元素至今仍存在於奧克洛的鈾礦中,時間跨度長達20億年。 考慮到該鈾礦經常被地下水浸潤,加之鈾礦石並非以化學惰性形態存在(比如玻璃態),這相當不同尋常。  地質處置安全,技術上可行,不汙染環境已經是專業人士由來已久的共識。但是,許多國家的公眾對此仍有疑慮。 深地質處置支持者們面臨的挑戰之一是證明一個儲存所必須長時間可靠,且將來可能的洩露不會對人類健康和環境造成影響。  核燃料再處理並不能減少深地質處置的必要性,但卻能夠減少核廢料的體積以及中長期放射性和衰變熱。另一方面,核燃料再處理也無法消除儲存所選址的政治和社群風險。

  深地質處置已經有幾十年的研究歷史。實驗室測試、探井已經積累了很多資料;建造和運營地下實驗室並展開大規模儲存實驗也在進行中。 世界各國的主要地下研究機構見下表。

  德國下薩克森的阿西二號鹽礦座落於阿西山中,自1965年以來被用作研究用途。1967年到1978年放射性廢物被儲存在該礦中。有研究指出,1988年以來該儲存所一直在洩露被<unk>-137、鈽和鍶等核素汙染的鹽水;但直到2008年6月這一發現才被公諸於世。  位於德國薩克森-安哈爾特州的莫斯雷本放射性廢物儲存所也是一座廢棄的鹽礦。1972–1998年此礦被用於儲存核廢料。2003年以來,該礦一共澆築了480,000立方米的混凝土來穩定穹頂,否則鹽穹可能塌方。  美國新墨西哥州的廢物分離中試<unk>1999年正式運營。此<unk>位於卡爾斯巴德附近的地下鹽層中。  有人曾提議在澳大利亞和俄羅斯建立國際高放射性廢物儲存所。但是,該訊息在澳大利亞引發公眾持續抗議,儲存所的建設基本成為泡影。  1978年,美國能源部開始研究內華達核試驗場附近的瑜伽山用於長時間地質儲存乏燃料和高放射性核廢料的可行性。此計劃遭到了內華達州核計劃局(亦稱為“核廢料計劃辦公室”)以及其它一些組織的法律挑戰而嚴重拖延。 奧巴馬總統上臺後,於2009年在其年度預算中拒絕向該計劃撥款,並稱其政府將考慮新的核廢料處置戰略。 2009年3月5日,美國能源部長朱棣文在美國參議院作證時說,瑜伽山作為核廢料儲存所已經不再是選項之一。至此,至少在奧巴馬任內,瑜伽山儲存所計劃已經壽終正寢。  在德國,關於核廢料最終儲存所的政治辯論相當激烈, 特別是下薩克森格爾雷本(Gorleben)村村民激烈反對。 在兩德統一之前,格爾雷本村位於西德邊境,人煙稀少,經濟困頓。但在統一之後,該村現在幾乎位於德國的中心地帶。2010年,默克爾政府決定重新開始格爾雷本作為核廢料儲存所的早期研究工作。  在目前幾個擬議建立深地質處置機構的國家中, 芬蘭的昂加洛乏燃料儲存所最接近於投入使用。其第一批廢料埋藏預定在2020年左右,現在還在等待最終批准。瑞典對乏燃料的深地質處置也走在前列。其國會認為,使用KBS-3技術埋藏乏燃料很安全。  2008年,英國環境、食品和農村事務部(Defra)發表了名為“安全管理核廢料”的白皮書。同其它發達國家不一樣的是,英國的計劃強調自願甚於地質結構的適用性。2012年6月,英國地質調查局找到了三處可能適合存放核廢料的地質結構。2013年1月,英國將決定是否進行下一步。
深地質處置指在穩定的地質構造中開掘的放射性核廢料存放場所,一般在地下300米以下。核廢料形態、其包裝、場地的密封和防滲以及地質條件等諸多因素決定了儲放場所成功與否。對深地質處置的基本要求是長時間將核廢料與環境隔絕開來,同時只需要極少或者不需要維護。深地質處置的時間尺度很大,通常從幾萬年到一百萬年。在深地質處置中,盛放在容器中的核廢料被以某種方式密封,存放在隧道里。最外面一層防護機制就是地質構造本身(比如岩層)。