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在核禁区沉睡:科学家提出钻孔深埋法处理核废料

2019-12-04 17:00:47来源:励志吧0次阅读

世界上最棘手的放射性物质之一“藏身”于汉福德(美国华盛顿州南部原子能研究重要中心)附近沙漠里的一座老化的煤渣砖建筑中。它静静地躺在散发着诡异蓝光的池水底部。约2000个半米长的钢筒装满了高放射性铯和锶,它们是生产钚(用于制造核武器)的残留物。这些残留物被描述成继活跃的核反应堆堆芯之后美国最致命的单一辐射源。

核废料的拥有者、美国能源部(DOE)表示,如果这个水池因严重地震等因素出现缺口,后果将不堪设想。数十年来,联邦政府一直为如何处理这些钢筒头疼不已。它希望为全国所有高水平核废料寻找一个永久埋藏场所,但该工作一直没有头绪。

虽然采用双层安全壳,但这个禁区并不安全。2013年华盛顿州宣布,汉福德至少6个装有核废料的地下储罐发生放射性和有毒废料泄漏。DOE督察组备忘录显示,8月初从AY-102两层安全壳之间环形区域的地板上检测到高放射性化学废物,这里保存着大约2.12亿升高浓度核废料。汉福德已经有67个安全壳向土壤中泄漏了超过380万升核废料,但这些都是旧式单层安全壳。作为更高级的安全措施,双层安全壳有两层钢板,“壳外加壳”的设计提高了安全系数。

目前,科学家提出了另一套新解决方案:将这些钢筒放入深洞中。这种名为“深孔钻空处理”的方法要求在地壳硬质岩石上钻一个43厘米宽、5千米深的洞。然后工程师将核废料容器装入最深的2千米处,并用混凝土和泥土将洞填埋,从而使废弃物静静地衰变。

深埋地下

实际上,科学家数十年前就提出了这一设想,但不久后却全部放弃了这一办法。过去5年间,随着钻孔技术的改进以及其他核废料处理方案在政治或技术上的失败,钻孔深埋开始重现吸引力。在钻孔研究领域,DOE已经从几乎没有经费支持到拨款8000万美元进行大规模实地测试。今年年初,DOE部长Ernest Moniz在一次重要讲话中提到钻孔策略,认为这将有望处理好汉福德核禁区的铯和锶。

该方案拥护者之一、麻省理工学院(MIT)退休教授、核能工程师Michael Driscoll提到,钻孔一直是“第二方案,这些年都已错失良机”。“或许现在是时候了。”

但许多核废料专家对此表示怀疑。他们认为,其中将遇到的技术挑战令人望而生畏,而且钻孔不会终止建设新核废料设施面对的政治反对。“我认为,钻孔策略会转移人们的注意力。”自然资源保护委员会(NRDC)律师Geoff Fettus说。该组织要求DOE放弃将核废料填埋于内华达州尤卡山地下的计划。

不过,也有怀疑者表示,在目前的核废料僵局下,钻孔方案能提供第二视角,至少对汉福德那些麻烦的钢筒是如此。

“如果我们能够处理掉一些核废料也是好事。”乔治·华盛顿大学国际科学和技术政策中心主任、美国核能管理委员会前主席、地学科学家Allison Macfarlane说,“我们必须在某些领域获得一点进步。”

如果一个人因帮助复兴美国钻孔研究而受到尊敬,那这个人就是Driscoll。现年80岁的他花费25年多时间,静静地探索在花岗岩岩基中储存放射性物质的潜力。

Driscoll并非第一个提出这一想法的人:自上世纪50年代至今,钻孔就开始与其他核废料处理技术一较高下。但令人感到讽刺的是,当Driscoll开始对钻孔感兴趣时,美国政客认为他们已经解决了这些麻烦。1987年,经过数年激烈争论后,国会批准建立国家高水平核废料储存库,该储存库计划建在尤卡山——在拉斯维加斯西北约110公里处。由于这一决定,美国在钻孔研究方面的经费投入大部分蒸发。

迎来机遇

但Driscoll没有被阻止。他认为,与单一大型设施相比,孔洞有其潜在优势。于是,即便工程师已经开始计划尤卡山核废料库,Driscoll和一些学生仍在艰苦钻研钻孔的成本和技术可行性,并发表了大量论文。

在他们探索的一个方案中,乏燃料将被放置在一个细长的容器中,并将这些容器像香肠串一样扎在一起,然后放入洞中。拥护者表示,如果被放置在合适的深层岩石中,这些放射性物质将非常安全:几乎没有裂缝的古老花岗岩,可能使放射性物质渗入到地下水或浮到表面。周围的岩石和盐水将能消散废物产生的热量。

而且,每个洞顶部3千米处将被一个混凝土、碎石和膨润土的夹心蛋糕样物体堵住。DOE桑迪亚国家实验室的科学家预计,全美所有高水平核废料可能会填满700~950个洞,每个洞的成本约4000万美元(不包括运输费用)。

2010年,钻孔技术迎来了首个重大转机,当时总统巴拉克·奥巴马宣布,将放弃经历了数年拖延和被州政客反对的尤卡山计划。于是,政府开始寻找其他方案。那一年,桑迪亚国家实验室安排了一个重大投资:73.4万美元用于研究流体和放射性颗粒在空洞中可能出现的行为,以及如何最好地进行处理。2012年,一个总统委员会建议进行更多的此类研究。

不久之后,Moniz出任DOE部长。作为Driscoll在MIT的前同事,Moniz已经听说过他有关钻孔的方案。2003年,两人曾共同出席一个支持研究该技术的座谈会。

去年3月,白宫的政策变化为未来打开大门。Moniz宣布,奥巴马政府将放弃之前将所有高水平核废料放置于一个地点的计划,而是寻找不同地点,分别处理商业核废物(占总量的约85%)和军用核废物。Moniz声称,包括汉福德核禁区放射性钢筒在内的一些军用核废物是“深埋处理的理想候选者”。

烫手山芋

铯-137和锶-90是核废料里的烫手山芋,在相当短的30年半衰期中充满了强力放射性。在汉福德核禁区,这两种物质几乎不足以装满一辆小卡车的后备箱,但却包含了1亿多居里的放射性,这相当于大型核反应堆堆芯处放射量的1/10。它产生的热量足以为200间房屋提供能源。

为了避免这些乏燃料管带来麻烦,它们被放置在一个约4米深的类似巨型游泳池的下方,当高能粒子在水中猛烈撞击时,会发出蓝色的光芒——切伦科夫辐射。DOE表示,这座1974年的建筑在过去30年里一直“守护”着这个水池。

由于被不停“轰炸”,水池混凝土墙的一些部分已经十分薄弱。一些管也已经出现损坏。在2011年日本福岛第一核电站事故发生后,DOE对设施进行了评估,其环境管理办公室认为,一旦出现大地震,在所有相关设施中,汉福德核禁区的水池出现灾难性故障的风险最高。DOE表示,计划将这些核废料移入屏蔽容器内,但尚未公布时间表。

“这里风险巨大。”民间监察团体“汉福德挑战”执行干事Tom Carpenter说。该团体对DOE的核废料安全工作表示不满。早在2013年汉福德核禁区出现泄漏事故时,他就批评负责监管汉福德的DOE管理不善、短视和无能,而相关的承包商更只会牟取暴利。

钻孔深埋策略支持者表示,汉福德的钢管直径不到7厘米,足以放入一个空洞中,不需要再重新包装。而且,他们认为,其他军事核废料也应该埋入地下。其中一个候选者是DOE从拆除核武器中提取出来的钚。目前,这种核废物被储存在垒球大小的金属球中,保存于得克萨斯州的一座DOE设施中。

但钻孔深埋并非像看上去的那样简单。核废料技术评估委员会罗列了一系列问题:没有人能从坚硬岩石上钻超过5000米的孔洞。如果一个洞不够平滑和笔直,核废料容器就有可能被卡在半途。一旦废弃物被埋葬,就很可能难以取回。而堵塞孔洞的方法尚未充分验证。“有许多令人气馁的技术挑战。”该委员会主席、斯坦福大学地质学家Rod Ewing说。

而且,即便这些问题被解决,钻孔也只能处理该国一小部分核废物。因为,大部分高水平核废物将需要重新包装才能放进地下。“鉴于大部分已用核燃料的物理尺寸,这种方法目前很难作为一个好的候选者。”DOE已用核燃料处理研究和开发办公室主任William Boyle说。

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