1、深層地質(zhì)儲存庫

核廢料處理提案的現(xiàn)狀

核能可能是新的綠色能源，除了一個(gè)相當(dāng)大的問題。核工業(yè)正在努力消除其有毒廢物。正如最近所說，“深層地質(zhì)儲存庫(DGR)是全球首選的、經(jīng)科學(xué)驗(yàn)證的儲存高放廢物的解決方案”。然而，這取決于你如何定義“深度”。目前的DGR儲存點(diǎn)確實(shí)理解有誤，目前計(jì)劃位于地面以下60米至800米的地方。就高放核廢料而言，這個(gè)尺度是完全不夠的。要想真正有效，DGR儲存點(diǎn)必須深得多。自20世紀(jì)70年代以來，一些國家一直在尋求管理核廢料的處置方式。盡管做出了這些努力，但核廢料仍然不斷累積，看不到實(shí)質(zhì)性的解決方案。然而，今天有另一種解決方案——在地表以下3000米或以上的封閉地質(zhì)地層中，鉆探深層水平井道處理系統(tǒng)。

2、技術(shù)發(fā)展

德國的下薩克森州的Gorleben，一個(gè)位于前鹽礦的放射性廢料場

事實(shí)上，目前所有的“深層”儲存庫計(jì)劃或工作都是近地表儲存，旨在淺地表隧道或礦山中處理高放廢物。許多都很淺，實(shí)際上都在現(xiàn)有的地下水位中。盡管自20世紀(jì)90年代末以來，替代解決方案已經(jīng)出現(xiàn)并為人所知，但負(fù)責(zé)當(dāng)前設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)似乎完全致力于盲目相互效仿，在幾十年的時(shí)間里，每個(gè)機(jī)構(gòu)都花費(fèi)了數(shù)十億美元開發(fā)“一次性”DGR系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)的缺陷或錯(cuò)誤都將意味著徹底的損失，所有的時(shí)間和金錢投入都將打水漂。由于投入的時(shí)間和金錢并不短缺，缺少的是創(chuàng)新。自40多年前在美國建立尤卡山儲存庫以來，廢物技術(shù)沒有任何變化——一個(gè)關(guān)閉的地點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)叵笳髦?dāng)前DGR的“解決方案”正如尤卡山所面臨的長期問題那樣，近地表儲存庫的價(jià)值可能值得懷疑。開發(fā)商預(yù)計(jì)，通過安裝膨潤土“回填物”或鈦“雨傘”，這些附加組件可以保證一定的保護(hù)壽命，所有這些都要付出極端的成本和風(fēng)險(xiǎn)。然而，任何暴露在水中的人造保護(hù)裝置都無法在必要的時(shí)間內(nèi)承受腐蝕。幸運(yùn)的是，一種替代的解決方案已經(jīng)存在：在深水平井道中進(jìn)行處理，在3000米深以下的固體巖石區(qū)進(jìn)行鉆探和完成。這是一個(gè)更好的解決方案，原因有很多。封閉地質(zhì)構(gòu)造中的深層水平處置庫，遠(yuǎn)低于任何已知的地下水位。這種處置行動在今天也是可能的。而且它的價(jià)格要便宜得多。由于這些原因，它是目前近表面DGR系統(tǒng)的一種優(yōu)越的替代方案。

3、深層水平井道-內(nèi)置冗余

SuperLATTM系統(tǒng)與尤卡山相比。

首先，井道儲存系統(tǒng)垂直向下，鉆至地表以下至少3000米(10,000英尺)，比現(xiàn)有的DGR系統(tǒng)深得多。接下來，將井道轉(zhuǎn)向，橫向水平延伸至少5000米。然后，可以將橫向截面擴(kuò)孔至所需的井道直徑。如圖2所示，這種創(chuàng)新的鉆井操作提供了一個(gè)連續(xù)的封閉通道路徑，內(nèi)表面設(shè)置多個(gè)耐用的鋼套管，這些鋼套管外部襯有堅(jiān)固的水泥環(huán)空。雖然該設(shè)計(jì)是一種新穎的應(yīng)用，但它是對已使用多年的油田井下工具的改進(jìn)。這種工程方法是該行業(yè)的核心，僅在美國，該行業(yè)每年鉆探的水平井筒就超過61,000,000米。強(qiáng)大、可靠、快速且易于復(fù)制。現(xiàn)有的鉆機(jī)系統(tǒng)具有必要的機(jī)械能力和操作通用性，可以在地表以下3,000米處鉆取大直徑水平井筒，而鉆機(jī)的提升能力超過450噸自重。這種設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)式的，目前在世界各地都在使用和鉆探。目前可以實(shí)際地鉆探所需類型的高放廢物水平井道。在石油和天然氣勘探中，有數(shù)千個(gè)水平井筒使用多種井下工具、生產(chǎn)設(shè)備和完井系統(tǒng)。如果需要，可以對高放廢物進(jìn)行解構(gòu)和重建，使其以被認(rèn)為最有效的尺寸安裝到圓柱體中，并且可以對井筒進(jìn)行設(shè)計(jì)以配合。作為一種在短時(shí)間內(nèi)，以相對較低的成本建設(shè)深層地質(zhì)存儲庫的方式，它與目前的方法形成了鮮明對比。此外，存在大量的技術(shù)知識基礎(chǔ)，有經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)服務(wù)公司可以支持實(shí)施。水平井道還襯有多個(gè)鋼套管，并被精心設(shè)計(jì)的水泥基質(zhì)包圍。這提供了另一個(gè)安全層，除了如圖2所示的不透水巖石儲存庫地層的自然保護(hù)之外。圓柱形廢物膠囊可以從地面自動插入，穿過垂直段，然后安全地“降落”在水平井道中。將膠囊水平放置在井筒中，可以消除垂直堆疊時(shí)產(chǎn)生的任何額外重量。里面的單個(gè)廢物膠囊被密封在一個(gè)液壓封閉的巖石區(qū)內(nèi)，位于生態(tài)圈下方數(shù)千米處。將膠囊安全地儲存在儲存庫中后，可以對垂直井筒進(jìn)行密封。

地下數(shù)千米處40千噸級核爆炸現(xiàn)場的露天廣場

如圖4所示，在美國科羅拉多州，一枚40,000噸的原子彈在2500多米(8000英尺)的地下成功引爆，以刺激(壓裂)深層含氣頁巖地層。在深層水平儲存庫系統(tǒng)永久關(guān)閉后，類似的表面標(biāo)記將是唯一可見的提醒——成噸的核廢料埋在地表以下數(shù)千米處。還需要對現(xiàn)場幾英里范圍內(nèi)的侵入性鉆井發(fā)出額外警告。將廢物儲存得如此之深，也會使不良行為者幾乎不可能進(jìn)行任何危險(xiǎn)工作。

4、保護(hù)地下水

Deep Isolation處理核燃料和高水平廢物的概念(圖片：Deep Isolation)

即使在幾十年沒有取得任何重大進(jìn)展或成功之后，各集團(tuán)仍繼續(xù)相互效仿，在地下水位或地下水位附近的近地表廢物庫中挖掘和開發(fā)采礦系統(tǒng)。地質(zhì)學(xué)家無一例外地認(rèn)為，這些近地表巖石是有裂縫和斷裂的——這是自然界的事實(shí)。這些裂縫的存在允許流體遷移。最近的許多研究得出結(jié)論，地表雨水可能在不到50年的時(shí)間內(nèi)到達(dá)這些儲存層，從而給儲存的膠囊?guī)砀g問題。這已經(jīng)通過對遷移的地表雨水的分析得到了技術(shù)上的證實(shí)。例如，氯-36是一種氯放射性核素，以一定的穩(wěn)定和可預(yù)測的濃度存在于雨水中。它可以測量水的“年齡”，可以說是水的“指紋”。氯-36存在于所有流入近地表礦山和隧道的雨水中。在這些近地表系統(tǒng)中，這種同位素在水中的存在是一種閃爍的紅光。在名義上被稱為“現(xiàn)代水”的水中發(fā)現(xiàn)的氯-36比例升高，是由20世紀(jì)50年代在大氣中進(jìn)行原子彈試驗(yàn)引發(fā)的爆炸引起的。這些高頻發(fā)現(xiàn)在1950年代之前并不存在。這表明，在近地表高放廢物處理系統(tǒng)中，“現(xiàn)代水”已向下進(jìn)入這些處理區(qū)。對滲透到近地表間隙水中的氯-36的詳盡分析表明，地表水繼續(xù)向下遷移，到達(dá)任何儲存的高放廢物材料。儲存在儲存庫中的高放廢物材料，可以會不可避免地發(fā)生化學(xué)、物理和電解降解，而不考慮任何后續(xù)的人工保護(hù)系統(tǒng)，如鈦傘板。必須在深地層中安全處理高水平廢物，以防止地質(zhì)時(shí)期任何可能的向下流體滲流，導(dǎo)致有害和災(zāi)難性影響。在高放廢物儲存所需的特殊時(shí)間內(nèi)，水范圍內(nèi)的任何人為保護(hù)措施都無法永久維持。

捷克政府尋求在歐盟2050年的最后期限前完成舊核燃料深層地質(zhì)儲存庫的運(yùn)營。圖為2020年藝術(shù)家對場地布局的印象(圖片：捷克工業(yè)和貿(mào)易部)

近地表采礦技術(shù)的支持者表示，他們解決水遷移問題的方法是使用鈦“傘”，后續(xù)安裝以保護(hù)膠囊，還使用膨潤土材料作為儲存庫“回填物”，“膨脹”以緩解膠囊區(qū)的流體流動。很難看出這些措施如何能夠在至少10,000年內(nèi)保持所需的安全水平，遠(yuǎn)低于安全廢物處理所需的地質(zhì)時(shí)間尺度。更好的解決方案是，在沒有流體流入或流出系統(tǒng)的地方，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)深層儲存庫。這樣的系統(tǒng)必須位于大規(guī)模不可滲透的巖石區(qū)內(nèi)，深度足夠大，地表水不會向下遷移。這是選擇深層水平井道儲存的關(guān)鍵基礎(chǔ)。此外，我們還可以從正在進(jìn)行的油田壓裂作業(yè)中學(xué)到很多東西，這些作業(yè)深入了解了巖石允許流體遷移的能力。深層水力壓裂區(qū)的“緊密”性質(zhì)意味著，它們最初是非生產(chǎn)性的。為了讓流體進(jìn)入這些區(qū)域，工程師必須使用超高壓泵，表面壓力高達(dá)19,800磅/平方英寸。如果沒有這些極高的壓力，就沒有流體流入巖石基質(zhì)。從所需的巨大壓力可以推斷出，由于滲透率極低，儲存庫巖石的流量非常小。因此，在這些非常致密的巖石區(qū)域中使用深層水平井道最適合安全的核廢物處理。

5、成熟的經(jīng)驗(yàn)

水平井道中的核廢料艙

仍有許多人對深層水平井道方法持懷疑態(tài)度。雖然這種水平井道系統(tǒng)以前確實(shí)沒有做過，但地球上也從未實(shí)施過DGR。今天世界各地有幾十萬個(gè)成功的水平井道在運(yùn)行。我們應(yīng)該問，為什么幾十年來，數(shù)十億美元浪費(fèi)在了DGR的持續(xù)研究上，但一直沒有成功，為什么我們還沒有找到更好的解決方案?礦山和隧道是更好的儲存庫來源，這是一個(gè)神話，因?yàn)槟憧梢?ldquo;看到、感覺和監(jiān)測”巖石表面。面對石油和天然氣行業(yè)開發(fā)的大量石油物理和勘探分析技術(shù)和系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，這種錯(cuò)誤的、陳舊的想法完全公然地存在。該行業(yè)使用極其先進(jìn)的井下工具和復(fù)雜的人工智能計(jì)算系統(tǒng)。這些工具使科學(xué)家、工程師和研究人員能夠深入觀察并科學(xué)地檢查井筒內(nèi)和周圍的長距離巖石。它們精確的提供2D、3D和有時(shí)4D的巖石和流體數(shù)據(jù)。這一分析，允許在不親自“觀察”地表下數(shù)千米的巖石表面的情況下，做出價(jià)值數(shù)十億美元的勘探?jīng)Q定。這些分析系統(tǒng)十分有用。需要強(qiáng)調(diào)的是，廢物膠囊不應(yīng)被視為廢物的最終保護(hù)器，而是一個(gè)10,000年的容器裝置，其主要目的是在地表安全處理廢物，并將其安全運(yùn)輸?shù)缴顚拥刭|(zhì)儲存庫。廢物的最終保護(hù)者是不透水的巖石。巖石的固有特性、尺寸、深度和低滲透性是實(shí)際的長期保護(hù)系統(tǒng)。

6、投資小，高回報(bào)

深層定向鉆井是石油和天然氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

大規(guī)模近地表作業(yè)不是核廢料處理的最佳解決方案，甚至不是合適的解決方案，原因有很多。這些作業(yè)需要數(shù)千名地面工人，以及數(shù)百名地下個(gè)人，這些還需要配套設(shè)置安全、通風(fēng)、運(yùn)輸和逃生系統(tǒng)。這些大型且人員配備齊全的“采礦”型作業(yè)成本高昂、危險(xiǎn)、效率低下且周期漫長。此外，這種復(fù)雜的操作容易出現(xiàn)災(zāi)難性的人為錯(cuò)誤，可能會使項(xiàng)目停止運(yùn)行。美國能源部位于新墨西哥州的WIPP設(shè)施最近發(fā)生了一次近地表處置作業(yè)中的“事故”。風(fēng)井故障和放射性泄漏問題導(dǎo)致運(yùn)營中斷多年，需要花費(fèi)數(shù)十億美元進(jìn)行修復(fù)。相反，SuperLATTM技術(shù)允許在單個(gè)深層水平井道中處理數(shù)千噸高水平廢物膠囊。它在深層不透水巖層中形成了一個(gè)安全的深層廢物儲存庫。圓柱形膠囊形式的廢物可以快速方便地放置在這些深倉庫中，只需幾個(gè)月就可以鉆孔。一旦小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)產(chǎn)生的廢物在冷卻池中充分冷卻，這些儲存庫就可以安全處理這些廢物。SuperLATTM系統(tǒng)不僅明顯不易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，而且與現(xiàn)有的DGR操作相比，解決任何問題和重新啟動的資源都很小。它強(qiáng)大、開發(fā)良好，而且目前可用，成本為數(shù)百萬，而不是數(shù)十億。一個(gè)典型的SuperLATTM操作，可能需要不到30名工人在地面上鉆探、裝載和處理超過100萬磅的封裝廢物，成本不到5000萬美元，并且可以在不到六個(gè)月的時(shí)間內(nèi)實(shí)施儲存庫。非常非常深的處置庫為當(dāng)今的高水平廢物問題提供了及時(shí)的解決方案，它們應(yīng)該成為振興全球核電行業(yè)的基礎(chǔ)。有了這樣一種可靠且經(jīng)驗(yàn)證的傳統(tǒng)方法替代方案，現(xiàn)在是時(shí)候重新考慮高水平的廢物處理了。

7、獲取可行性研究數(shù)據(jù)

Deep Isolation 2019年的鉆孔概念演示(圖片：Deep Isolate)

一些研究人員最近表示，該行業(yè)應(yīng)該通過研究一項(xiàng)新的深井高放廢物(HLW)處理計(jì)劃來“啟動”一場全國對話。他們建議鉆一口井進(jìn)行地質(zhì)和巖石物理分析。他們希望量化所選場地在高放廢物處理方面的技術(shù)適用性。首先，利用一口測試井提供關(guān)于深層適合高放廢物處理的信息，適用性的最小且統(tǒng)計(jì)上不可靠。大規(guī)模、詳細(xì)的分析必須是區(qū)域性的，才能獲得可用的定量地層數(shù)據(jù)。單個(gè)井筒是一種代價(jià)高昂的資金濫用，因?yàn)樗峁┑臄?shù)據(jù)很少，難以可以作為數(shù)十億美元決策的基礎(chǔ)。其次，更重要的是，研究人員沒有意識到已經(jīng)存在大量的地質(zhì)數(shù)據(jù)。不需要鉆一個(gè)新的井道來獲得它。例如，僅在美國，就有超過37個(gè)州的巖心庫，可以在那里進(jìn)行巖心樣本的檢查和分析。這些巖心是從鉆孔中收集的，代表了數(shù)百種不同巖層中數(shù)千口井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。為了檢測相關(guān)巖層的情況，僅北達(dá)科他州巖心庫就有超過304,800米(1000000’)的巖心樣本。在得克薩斯州和其他州，用于深層地層分析的真實(shí)巖心數(shù)據(jù)的可用性甚至更大，而且?guī)缀蹩梢悦赓M(fèi)獲得。由于已經(jīng)鉆探了數(shù)千口井，深井道的可行性以及在哪里最安全、最有效地鉆探的證據(jù)已經(jīng)存在。商業(yè)核心圖書館是另一個(gè)現(xiàn)成的信息來源。這些私人綜合圖書館維護(hù)良好，及時(shí)更新?lián)Q代，由大型和小型勘探公司供私人使用。高放廢物行業(yè)可以以相對較低的成本利用這些資產(chǎn)，而且比僅用于提取樣本的鉆井成本要低得多。