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    《自然》:核廢料豈能一“埋”了之
    來源:???? 作者: ???? 2016-10-08 16:55???????
    摘要:美國新墨西哥州東南部城市卡爾斯巴德附近600多米深的地下是全球唯一接受超鈾元素——比鈾更重的放射性元素——核乏料的深部地質處置庫。

    盛放著美國核防御計劃核乏料污染物的滾筒被儲存在新墨西哥廢棄物隔離中試工廠(WIPP)。

    圖片來源:Jim West

    美國新墨西哥州東南部城市卡爾斯巴德附近600多米深的地下是全球唯一接受超鈾元素——比鈾更重的放射性元素——核乏料的深部地質處置庫。這個名為廢棄物隔離中試工廠(WIPP)的核乏料儲藏庫由美國能源部(DOE)管理,用于處置來自該國核防御計劃的實驗裝置、衣物以及殘余物。在過去15年中,大約9.1萬立方米(相當于一個足球場上堆積著13米高的廢棄物)的超鈾廢棄物被儲存在這里,大多數放射水平較低。

    絕大多數廢棄物是壽命很長的钚的同位素(主要是钚-239,其半衰期為24100年;钚-240,半衰期為6560年)以及半衰期更短的镅和鋦。在距今2.5億年前形成的一個古老巖床上開鑿的空間中,這些廢棄物被儲存在成千上萬的塑料外殼鋼滾筒中。該儲存庫現儲存量已達到原計劃的一半,預計到2033年封閉。

    但是新的需求也在涌現。2000年,與俄羅斯簽署的一項核武器控制協定迫使美國處置拆除核武器后產生的34噸钚。為此,近日美國斯坦福大學國際安全與合作中心博士后Cameron L. Tracy、該校地質科學部研究生Cameron L. Tracy以及該校國際安全與合作中心核安全教授Rodney C. Ewing在《自然》發文,提出重新評估該核乏料庫的安全風險勢在必行。

    曾發事故

    當前,DOE負責對WIPP進行安全評估,確保它不會超過國家環保署(EPA)規定的1萬年內放射性物質暴露限制。根據美俄核武器協定條款,美國計劃把核物質轉化成燃料——混合鈾和钚的氧化物(MOX),使其用于商業核電站。但是由于南卡羅來納州薩凡納河畔的MOX加工設施建造成本上漲,DOE委托專家委員會重新考量評估方案。

    2015年8月發布的最近報告建議在WIPP埋藏這些核武器中的钚。考慮到該核乏料庫一直以來的“成功表現”,DOE的紅色團隊專家組提議,34噸用于核武器的钚的放射濃度在被稀釋到WIPP超鈾乏料的水平后,可以存放到該乏料庫。

    事實上,WIPP的安全記錄也很混雜。2014年2月14日,一個核乏料桶的爆炸向地表釋放了少量钚和镅(其放射性在100毫居左右)。空浮放射性物質通過排氣系統到達地表,從該儲藏庫的排氣孔中傳播了900米。21名工作人員接觸到了低水平的放射性物質,其中接觸水平最高的相當于X光胸檢時的輻射水平。而在此9天前,一輛燃燒卡車上排放的煙霧曾充斥地下工作系統,導致機械、電氣和通風系統損壞。

    DOE稱類似事故并不足以讓該核乏料庫的長期效應打折扣。如果汲取教訓,其安全性仍然有保障。人們擔心的不是該事件的安全性,而是事件本身在預料之外。這些事件表明,很難在千萬年的尺度上預測安全措施的潛在問題。例如,對該儲存庫的地質化學評估或是對其進行鉆探都可能會低估其中的風險。

    在擴展WIPP的钚庫存量之前,DOE必須更加謹慎地對其1萬年甚至更遠未來的安全進行評估和審慎監測。

    自滿文化

    2014年的WIPP放射性物質泄漏是由一個乏料桶中的化學反應產生的熱量導致的。當時新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANI)的钚鈍化廢棄物——含放射性的钚硝酸鹽與一種有機物發生化學反應,該有機物是小麥制成的商業貓砂,其用途是吸收液體廢料。化學反應產生的熱量使桶蓋爆開,盡管感應器檢測到放射性物質及其通過過濾器釋放出的廢氣,一些放射性物質依然發生了泄漏。WIPP操作人員密封了過濾系統漏洞以及出現漏洞的儲藏室,那個破壞的乏料桶依然保存在乏料庫中。

    DOE對此次事故的分析記錄了WIPP缺乏“安全理念”。由于該設施已經成功運行了15年,使相關人員產生了自滿情緒。然而,事實上相關短板仍廣泛存在,如安全評估、桶內乏料管理、安裝及維持設備以及對事故的應急措施等。

    從系統分析的角度來看,這次乏料桶事故屬于“常規”事故,即由人員操作失誤導致的系列錯誤和破壞,使情況變得更糟的還有包括操作人員未能遵守安全章程。但此次WIPP事故也有積極的一面,它代表了吸收教訓的機會。DOE嚴格調查了事發原因并采取了正確的行動,乏料桶中不再包含互不相容的化學物質。

    但是一旦乏料庫關閉后就不能再對其內容物進行監測或是糾正其中的問題。把時間維度考慮在內,很難保證未來該地區的居民都知道哪里是WIPP的選址。

    長期安全

    WIPP當前的安全評估主要參照兩個方面,一是不受干擾性;二是人類的入侵性。

    前者預測了核廢料庫關閉之后,其選址處的鹽層可能會變形,流到乏料桶周圍包圍核乏料。相關模型假設如果在沒有諸如鹵水等液體存在的情況下,該儲藏庫選址在地質上仍會是相對孤立的。而人為入侵可能向環境中釋放放射性物質。比如,鹽層經常與礦藏及油氣等能源資源相關聯,因為未來1萬年人們是否會在地上鑿洞非常關鍵。

    在預測未來鑿孔可能性時,EPA利用該地區百年歷史平均比例進行了預測,認為未來1萬年監管期內每平方公里可能會出現67.3個鉆孔。近年來,WIPP附近的鉆孔數量迅速上升,由于水平鉆孔和水力壓裂技術讓人們可以獲得含烴巖層中的能源,使得帕米亞盆地成為美國石油產量最豐富的地區。近10年來,每平方公里土地平均鉆孔量達148個,使該核乏料庫的人為入侵風險增加了1倍多。

    紅色團隊專家組的報告提出在把核武器中的钚儲存到“惰性摻雜物”(通常由水泥、凝膠、增稠劑和發泡劑等混合物構成)中之前,應該對其進行稀釋。該報告并未闡明“惰性”指的是什么,但是惰性物質非常稀少,尤其是那些需要維持數千年不變的化學物質。

    钚的反應

    關于含钚固體物質,證明其化學惰性存在極大挑戰。在近地表情況下,钚可以存在4種氧化態,每種都有著不同的固態及地質化學行為。其衰變產物鈾-235主要存在兩種氧化態,U4+和U6+,每種氧化態都有著不同的地質化學活性。這種復雜性使科學家很難預測這些錒系元素將會如何反應或者如何搬運。

    而且,錒系元素的衰變主要是因為α粒子(高能氫原子核)的散射。在每次衰變過程中,子核會反沖并取代周圍固體中成千上萬的原子。隨著時間的流逝,這些能量損失逐漸積累,進而改變這些物質的性質和化學穩定性。盡管在過去20年間,含錒系元素物質的放射作用得到了很好的研究,但是紅色團隊專家組的評估報告中并未涉及這些內容。

    正因為如此,把核武器中的钚經過“稀釋及處理”后形成的钚氧化物埋藏在WIPP的提議迅速激起安全爭論。這些額外的钚幾乎相當于現有已封存钚(約12噸)的3倍,而WIPP儲存庫在設計之初并未考慮到如此大規模的處理量。WIPP的儲量可能會擴大15%,增大了未來鉆孔可能穿過該核乏料庫的可能性。

    而且,這些錒系元素庫存的改變需要對包括鹵水和二氧化碳在內的相關物質之間可能發生的反應進行新的評估。钚在鹵水中的活動量取決于其可溶性,而其可溶性又取決于其形式及和氧化鎂反應之后的二氧化碳水平。

    未來管理

    相對钚-239的半衰期24100年來說,當前1萬年的時間考量仍然較短,更不用說鈾235,其半衰期長達7億年。為了容納多余的钚,當前的管制期限可能需要延長,這意味著在此期間人類入侵風險的幾率會再次加大。

    這些問題促成了2015年的兩次審核,形成了紅色團隊專家組和佐治亞州格林斯博羅高橋公司的兩份報告。但是相關分析并未考慮未來人類入侵的可能性。

    WIPP正在完成一項重要的國家需求——處理國家核防御計劃中的超鈾廢棄物。其開端是20年的科學研究、工程設計和公眾參與。盡管此前曾出現過一些事故,WIPP仍然能夠完成其使命。然而,大幅增加钚儲量以及失效的安全評估,尤其是人類侵入的可能性,證明了這一政策決定忽視了基本的科學因素。

    紅色團隊專家組的報告展現了在考量或管理固有風險方面存在的缺陷。專家認為,該報告中關于處理WIPP儲藏钚的相關建議的短板折射出2014年事故中的人為操作失誤。在DOE考慮實施這些建議之前,應該首先回顧并參考該儲藏庫過去15年的運行情況,并在未來1萬年的時間尺度上重新評估該設施的安全性。

    (馮麗妃)


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