作者:晋楠 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/11/15 13:27:00
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美计划“玻璃化”最庞大核乏料堆
经历数十年延迟后这一挑战性工程正在向前推进

 

数十年制作核武器形成的核乏料被埋在美国华盛顿州汉福德场区。

图片来源:Karen Kasmauski/NGC

汉福德场区正在进行着一场建筑热潮,这里曾是美国华盛顿州东南部大风肆虐的一处秘密综合设施所处地点。建筑人员正忙着在明年6月完成一座高27米的混凝土建筑。如果一切进展顺利,那么这个设施最终将可让美国能源部(DOE)处理那里的放射性含毒废弃物,从二战期间开始,废弃物已在该场区堆放了40多年。

在该场区停止制造用于核武器的钚数十年来后,汉福德核行动的残留物仍在制造麻烦。今年,一个装满放射性物质的铁路车厢的隧道坍塌了。 另外,至少有12名拆除一座被污染建筑的员工钚检测呈阳性。但该场区的最大挑战藏在地下的177个碳钢储罐中。这些埋藏的容器一共装着两亿多升高危险性液体和像花生酱一项的污泥,它们足以填满80个奥林匹克游泳池。这些储罐至少有1/3已经泄露,使放射性核化学废弃物对地下水造成污染。

在1989年与华盛顿州和美国环保署达成的一项法律协议中,DOE通过一个叫作“玻璃化”的过程,致力于用坚固的玻璃柱固定最危险的废弃物。若干年后,该机构同意玻璃化其他的罐装废弃物。总而言之,这一过程预计会产生重达数吨的数万个玻璃柱。那些含有高放射性废弃物的储罐将被船运到一个永久的储存设施;其他的废弃物将仍然存放在该场区。但这一工作却被成本超支、工作延迟等困扰。尽管从1997年以来DOE在废料罐问题上已花费了200亿美元,但仍未将核乏料玻璃化。

核乏料玻璃化

4年前,DOE打算重新开始核乏料玻璃化进程。它没有建设单个玻璃化工厂,而是将工程分为两个。第一个工厂(正在建设中)将开始玻璃化储罐中风险较低的“低活性”液体。另一个规模更大、更加复杂的厂子则用来处理高污染性的淤泥,它将在研究人员解决一些棘手的安全问题之后开始动工。

在两方面都有一些进展的迹象。今年,DOE报告称,它解决了与处理高污染性废弃物相关联的关键问题。一个需要实时分析低水平污染物的实验室即将完工。如果工作能够按计划进行,该场区最早将在2022年制作出第一个玻璃圆柱。

汉福德的批评人士已经习惯了最后期限和管理丑闻,对此仍持质疑态度。华盛顿州的官员已在法庭就清洁目标和最终期限争斗了近30年,但他们对目前在轨运行的项目抱有希望。“有乐观的原因。”华盛顿生态管理署监管废料罐活动的Suzanne Dahl说。

科学家从20世纪50年代就开始研究玻璃化,一些国家曾用这一过程稳定核乏料,包括法国、印度、俄罗斯、英国等。美国也在DOE位于南卡罗莱纳州的萨凡纳河场区玻璃化废弃物,但其规模和复杂程度都与汉福德场区的情况不同。

汉福德场区是在二战期间作为曼哈顿计划的一部分设立的,那里交付用于首个核武器测试以及1945年落在日本长崎的原子弹的钚。此后,它继续为美国核军械生产大量的钚。“汉福德场区是核事业发展的全部历史。”华盛顿特区美国天主教大学物理学家Ian Pegg说,他与DOE合作有关玻璃化的实验。

混合酝酿的“毒物”

汉福德场区使用的不断变化的技术组合产生了独特酝酿的毒物,包括放射性铯、锶、镅和残留的钚以及重金属和各种化工原料。储罐内还有其他的物质。华盛顿州里士满DOE玻璃科学家Albert Kruger说,人们“会朝那些罐子里仍各种可以想象到的东西”。他的清单中包括被污染的手套、木板、岩石和卷尺等。

一旦其中的一些碎石被去掉,玻璃化将让核乏料与包括硅、硼等物质混合在一起,然后被加热到近1150℃。随后,熔化的混合物在不锈钢罐中冷却,制造出硼硅酸盐玻璃大圆柱体——与烘箱中安全的玻璃器皿是同样的材料。

在这一过程中,因为每个罐子中盛放着各种化学物质和放射性核素的混合物,它们只有在废弃物被萃取之后才能够被完全识别。其中一些物质会导致玻璃弱化。而另一些物质如碘,不能被封闭其中,只能被去除。这有点类似于混合不同葡萄酒而制成的干邑白兰地,汉福德场区的科学家将需要根据每批废弃物确定相应的玻璃配置。Kruger说:“没人愿意试闻它的气味,没人愿意品尝它,这是一种等效机制。”

从1989年以来,有很多合同商曾在汉福德项目工作,其中包括英国核燃料有限公司,这是一家由英国政府拥有的出口塞拉菲尔德核分解综合设施相关技术的一家公司。随着成本估值上涨,2000年,DOE雇佣建筑和工程巨头——加州旧金山贝克特尔公司作为其主要承包商。

当时,汉福德场区预计会花费43亿美元,并在2007年开始做玻璃柱。但随着工程师开始实施安全和技术细节,该项目的成本和复杂性不断攀升。到2012年,高级官员——包括一名DOE原雇员和被炒鱿鱼后做出检举者投诉的两名承包商——对该项目表示担心。其中一方面是氢,热量和辐射分裂水分子时产生的氢会在容器和管道中积累,从而形成爆炸风险;另一方面,用来保持重粒子运动的混合容器不够强大。随着时间的推移,足够多的残余钚可能会形成一种危险的链式反应。

时任DOE部长朱棣文召集了一个专家组进行调查。最终,Bechtel被要求首先建造一个仅将液体废料玻璃化的工厂。液体占核乏料总量的90%,但只占其放射性的10%,且其需要进行的处理比高污染性废料少:它可以被提炼从而除去高放射性的铯,然后直接被送去玻璃化。“这是合理的。”田纳西州纳什维尔范德堡大学化学工程师、朱棣文专家小组的David Kosson说。如果必须从一个地方开始,那么“低活性废弃物是一个不错的选择”。

挥之不去的问题

这些高放射性废弃物设施仍在使用中,但DOE及其承包商已花费数年时间研究使用计算机模型和原型的技术问题。今年2月,该机构宣布已解决与氢积聚有关的问题。熟悉这项工作的科学家说,对新设计的混合容器的测试已接近完成,显然没有任何重大故障。该容器配备了6个“脉冲喷射混合器”,它可以像火鸡浇油管一样把废弃物吸走和泵出,从而让固体不会沉降下来。

研究人员也在玻璃配置上取得进展。Kruger和外部科学家已经证明,某些成分可以比此前估计的容纳更多废弃物,因此可能会节省成本。Kruger说,高放射性废物设施中生产的玻璃柱的数量可能会从1.8万个降至7000个。低放射性工厂可能只需要生产7万个左右的玻璃柱,而不是14.5万个。

但问题依然存在。DOE在2015年的一份报告记录了可能影响低辐射性工厂运行的500多个漏洞,其中包括一些用于处理放射性物质的电气和机械系统。

并非所有人都相信玻璃化是应该走的路。DOE受法律协议和核乏料监管的约束在推进这一进程,但从技术角度看却有更好的选择,某独立研究中心顾问及原主任Jim Conca说,该中心支持新墨西哥州卡尔斯巴德市外的废料隔离试验工厂(WIPP),这是美国运营的唯一一个深地质库。

汉福德高放射性废弃物目前计划将在尤卡山处理,这是内华达州一个搁置已久的地质库。渗水是人们关注的一个问题,因此必须将废弃物包裹在玻璃中以确保其在数千年内保持稳定。但Conca说,罐装的污泥足够安全,可以将其直接干燥送到WIPP——如果可以改变规定允许这一操作。类似地,低活性放射物可以与浆液混合,产生类似于混凝土的材料,很多人认为这会更便宜,更安全。

朱棣文仍然相信玻璃化能起作用,但他说DOE应该接受新科学并根据需要改变方向。更概括地说,他表示,在解决关于如何、在哪里处理核乏料的问题上,这个国家还有很长的一段路要走。“这是一个重大的问题,要想找到一条更好的道路,就必须有大量好的科学研究。”他说,“要永远保持思想开放。”

汉福德玻璃化设施的成本现在为168亿美元。假定最新的时间表不会变,高水平核乏料工厂将可以在本世纪30年代初开启,其运行将会持续数十年。与此同时,危险核乏料将会被留在地下,虽然看不到,但令人忧心。(晋楠)

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《自然》网站相关报道(英文)

 
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