《自然》:核废料岂能一“埋”了之
时间:2017-12-07

  “自然”:核废料如何“埋藏” - 新闻 - 科学网

  包含美国防核计划用料的桶被存放在新墨西哥州废物检疫试点工厂(WIPP)。

  图片来源:Jim West

  新墨西哥州东南部城市卡尔斯巴德(Carlsbad)附近的地下600多米深的地下地层是世界上唯一接收比铀重的放射性元素废料的深层地质储存库。美国能源部(DOE)负责管理核废料库,称为废物隔离试点工厂(WIPP),负责处理来自该国的核防御计划的实验装置,衣服和碎片。过去15年来, 91,000立方米的超铀废物(相当于13米的废物堆积在足球场上)储存在这里,大部分的排放量都很低。

  大多数废物是长寿命钚的同位素(主要是钚-239,半衰期为24,100年;钚-240,半衰期为6560年)和较短的半衰期镅和锔。两千五百万年前,在一个古老的岩石床上,这些废物被储存在成千上万个装有塑料的钢桶中。现在库存储了原计划的一半,预计到2033年关闭。

  但新的需求正在出现。 2000年与俄罗斯签署的核武控制协议迫使美国处置拆除核武器造成的34吨钚。为此,美国斯坦福大学国际安全与合作中心的博士后Cameron L. Tracy,大学地质科学系的研究生Cameron L. Tracy和Rodney C.国际安全与合作中心的核安全教授尤因最近写了一篇题为“自然”的文章,重新评估核废料库的安全风险势在必行。

  出了一个事故

  目前,美国能源部负责对WIPP进行安全评估,以确保其不超过环境保护局(EPA)规定的放射性物质暴露10年限制。根据美俄核武器协定的条款,美国计划将核物质转化为用于商业核电厂的铀和钚混合燃料(MOX)。然而,美国能源部委托一个专家委员会重新评估评估计划,因为南卡罗来纳州萨凡纳河沿岸的MOX加工设施的成本已经上升。

  最近在2015年8月发布的一份报告提出了WIPP的这些核武器中所含的钚。鉴于废弃国库的成功运作,美国能源部红队专家团队建议将用于核武器的34磅放射性浓度的钚稀释到WIPP超铀耗尽的原料中,然后将其储存在废料中图书馆。

  事实上,WIPP的安全记录也是不一样的,2014年2月14日,一个缺乏核爆炸的鼓爆表面释放出少量的钚和钚(放射性约100毫秒)到地面,空的漂浮放射性物质到达地球表面通过排气系统,并从储水器的通风口运行900米。二十一名工作人员暴露于低水平的放射性物质,最高水平的暴露水平相当于X射线胸部放射水平。而九天前,燃烧卡车的烟雾淹没了地下工作系统,对机器,电气和通风系统造成了损害。

  能源部表示,类似的事件不足以阻止核储备的长期影响。如果吸取教训,其安全性仍然得到保障。人们担心的不是事件的安全性,事件本身是不可预料的。这些事件表明,难以预测数百万年的潜在安全问题。例如,储存库或其钻探的地球化学评估可能会低估所涉及的风险。

  在扩展WIPP的钚库存之前,能源部必须对评估和审慎监测其1万年以上的未来安全性给予更多的谨慎。

  自满的文化

  2014年WIPP放射性物质泄漏是由废鼓中化学反应产生的热量引起的。那时,含有新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANI)的放射性硝酸钚的钚钝化废物与一种有机物质 - 商品猫砂废弃物进行化学反应,以吸收液体废物。化学反应产生的热量使盖子爆炸,尽管检测到放射性物质和通过过滤器的废气,但一些放射性物质泄漏。 WIPP操作人员密封了储藏室内的过滤系统漏洞和漏洞,损坏的废桶仍留在用完的库中。

  美国能源部对这一事件的分析记录了WIPP缺乏安全理念,由于该设备已经成功运行了15年,已经引起了员工的自满,但实际上相关短板仍然普遍存在安全评估,桶材管理,设备安装维护和事故应急措施。

  从系统分析的角度来看,这种桶式事故的不足是一种常规事故,是由于人员管理不善造成的一系列错误和破坏。情况变得更糟的是运营商没有遵守安全规定。但是WIPP事故也有积极的一面,这代表了一个吸取教训的机会。美国能源部审查事件的原因,并采取正确的行动,不再含有任何不相容的化学物质桶。

  但是,一旦缺货关闭,内容不能被监控或纠正。考虑到时间维度,很难确保该地区未来的居民知道WIPP的位置。

  长期安全

  目前WIPP的安全评估主要是指两个方面,一个是不间断的,另一个是人的侵入性。

  前者预测,在核废料储存库关闭之后,其位置处的盐层可能会变形并围绕废材料周围的废料桶流动。该模型假设如果储层位于没有流体如盐水的情况下,储存库可能在地理上是孤立的。人类入侵可能会将放射性物质释放到环境中。例如,盐通常与矿物质和碳氢化合物等能源相关,因为人类在未来一万年内是否会在地下钻孔是至关重要的。

  在预测未来钻探的可能性时,美国环保局用该地区的百年平均值来预测在未来一万年的监管期内可能出现每平方公里67.3个钻孔。近年来,WIPP附近的钻孔数量迅速增加,使纳米比亚盆地成为美国产油最多的地区,这得益于水平钻井和水力压裂技术,使得人们可以在含油气地层获得能源。在过去的十年里,平均每平方公里钻孔的平均数量已经达到了148个,这使这个核图书馆的人类入侵风险增加了一倍以上。

  红队小组的报告表明,核武器中的钚在被惰性掺杂物(通常由水泥,明胶,增稠剂和发泡剂的混合物组成)储存之前应该被稀释。报告没有说明什么是惰性,而是惰性材料极少,特别是那些需要保持几千年不变的材料。

  钚反应

  关于含钚固体材料,证明其化学惰性是一个巨大的挑战。在近表面条件下,钚有四种氧化态,每种具有不同的固态和地球化学行为。铀-235的衰变产物主要以U4 +和U6 +两种氧化态存在。每种氧化态具有不同的地球化学活性。这种复杂性使科学家很难预测这些act系元素如何反应或如何处理。

  而且,act系元素的衰变主要是由于粒子(高能氢原子核)的散射。在每次衰变过程中,原子核都会反弹并取代周围固体中的数千个原子。随着时间的推移,这些能量损失逐渐积累,反过来又改变了这些物质的性质和化学稳定性。尽管过去二十年来act系元素的放射性效应得到了很好的研究,但红色小组的评估却没有包括这些影响。

  正因为如此,在WIPP稀释和处理核武器所形成的钚氧化物的提议迅速引发了安全辩论。这些额外的钚几乎是已经缉获的现有钚(约12吨)的三倍,WIPP储存库在设计之初没有考虑到如此大量的处理。 WIPP的储量可能会扩大15%,增加未来钻探可能通过废料库的可能性。

  此外,这些act系元素库存的变化需要对有关物质(包括盐水和二氧化碳)之间可能发生的反应进行新的评估。卤水中钚的活性量取决于其溶解度,而溶解度又取决于其形式和与氧化镁反应后的二氧化碳水平。

  未来的管理

  钚-239的相对半衰期24100年以来,目前的1万年时间依然很短,更不用说铀235,半衰期为7亿年。为了容纳过量的钚,目前的监管期限可能需要延长,这意味着在此期间人类入侵的风险将再次增加。

  这些问题导致2015年进行了两次审查,形成了格鲁吉亚高桥红队专家组和格林斯伯勒两份报告。然而,相关分析并没有考虑未来人类入侵的可能性。

  WIPP正在完成在国家核防御计划中处理超铀废物的重要国家需求。它的开始是20年的科学研究,工程设计和公众参与。尽管以前发生过一些事件,WIPP仍然能够完成任务。但是,钚的储量大幅度增加和安全评估的失败,特别是人为入侵的可能性证明,这一政策决定忽略了潜在的科学因素。

  红队专家组的报告显示了考虑或管理固有风险的缺陷。专家认为,报告中的短板涉及WIPP钚储存的相关建议,反映了2014年事故中的人为错误。在美国能源部考虑实施这些建议之前,应该首先审查和参考过去15年的资料库的运行情况,并重新评估未来一万年内该设施的安全性。

  (冯丽飞)

  “中国科学”(2016-01-28第3版国际)

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  自然报告(英文)