核廢料的存儲(chǔ)模式令人擔(dān)心

最新研究表明，受材料間相互作用方式的影響，美國(guó)和其他國(guó)家計(jì)劃用來(lái)儲(chǔ)存高放核廢物的材料的降解速度，可能比以前人們了解的都要快。

這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然材料》上，它們表明，由于儲(chǔ)存核廢物的材料發(fā)生化學(xué)上的變化，以及受材料間互相作用的方式所致，這些材料的腐蝕會(huì)加速。

該研究的首席作者是俄亥俄州立大學(xué)核廢物形式和容器性能和設(shè)計(jì)中心的副主任Guoxiaolei，這個(gè)中心也是俄亥俄州立大學(xué)工程學(xué)院的一部分。他說(shuō)：“研究表明，目前的方式可能不足以保持這些廢物的安全儲(chǔ)存。這說(shuō)明，我們需要開(kāi)發(fā)一種新方式來(lái)儲(chǔ)存核廢物。”

該團(tuán)隊(duì)的研究重心集中在儲(chǔ)存高放核廢物的材料上——這些廢物主要是過(guò)去核武器生產(chǎn)遺留的軍工廢物，具有高放射性。雖然有些廢物半衰期約為30年，但也有一些其他的——例如钚——半衰期可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)年。放射性元素的半衰期是一半物質(zhì)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。

目前，美國(guó)沒(méi)有這些廢物的處置地點(diǎn);根據(jù)美國(guó)總問(wèn)責(zé)局的說(shuō)法，通常儲(chǔ)存在產(chǎn)生它們的核設(shè)施附近。人們提議在內(nèi)華達(dá)州Yucca山選一個(gè)永久選址，但是這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)擱置。世界各國(guó)在就核廢物處理的最佳方法方面思考很多;但只有一個(gè)國(guó)家，芬蘭，已經(jīng)在建設(shè)一個(gè)高放核廢物的長(zhǎng)期儲(chǔ)存庫(kù)。

但是，對(duì)于軍工產(chǎn)生的高放廢物，各國(guó)處置和儲(chǔ)存的長(zhǎng)期計(jì)劃基本相同。這包括將核廢物與其他材料混合制成玻璃或陶瓷類(lèi)型的材料，然后將這些已經(jīng)帶有放射性的玻璃或陶瓷裝入金屬罐。此后，為了隔離，這些罐會(huì)被埋入地下儲(chǔ)存庫(kù)中。

在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露在水環(huán)境中時(shí)，玻璃和陶瓷會(huì)與不銹鋼發(fā)生相互作用，導(dǎo)致腐蝕加速，特別是對(duì)于那些含有核廢物的玻璃和陶瓷材料。本研究定性地測(cè)量了儲(chǔ)存材料加速腐蝕和自然腐蝕之間的差異。Guoxiaolei把這個(gè)差異描述為“很?chē)?yán)重”。

他還說(shuō)：“現(xiàn)實(shí)中，玻璃或陶瓷廢物會(huì)與不銹鋼罐緊密接觸。特定條件下，不銹鋼的腐蝕會(huì)變得很?chē)?yán)重。它產(chǎn)生了一個(gè)極具腐蝕性的環(huán)境，會(huì)腐蝕周?chē)牟牧稀?rdquo;為了分析腐蝕問(wèn)題，研究小組將玻璃或陶瓷廢物——采用核廢物封裝原本的形狀——壓在不銹鋼上，并模擬尤卡山的環(huán)境條件，將它們浸泡30天。

根據(jù)這項(xiàng)研究中的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)玻璃和不銹鋼相互擠壓時(shí)，不銹鋼的腐蝕是“嚴(yán)重的”和“局部的”。研究人員還在與不銹鋼接觸的那部分玻璃上發(fā)現(xiàn)了裂紋和腐蝕增強(qiáng)。部分問(wèn)題要從元素周期表中尋找答案。不銹鋼主要由鐵與其他元素混合而成，包括鎳和鉻。鐵對(duì)硅有化學(xué)親和力，而硅是玻璃的關(guān)鍵元素。

實(shí)驗(yàn)還表明，在模仿尤卡山條件的條件下，對(duì)于另一種潛在的核廢物載體，陶瓷，當(dāng)其被壓在不銹鋼上時(shí)，陶瓷和不銹鋼都會(huì)有嚴(yán)重的局部腐蝕。

鹽礦床是核廢物處置的創(chuàng)新方案嗎?

世界各地都有堆滿核廢物的水池，這些廢物還在等著它們最后的“安息之地”。這些廢物是核能發(fā)電在幾十年間產(chǎn)生的，必須謹(jǐn)慎處理和處置。

在美國(guó)，科學(xué)家們正在研究幾種處理這些廢物的解決方案。Phil Stauffer和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，一直在與美國(guó)能源部和其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，以開(kāi)發(fā)一種長(zhǎng)期的、安全的處置方案：鹽礦床。

Stauffer說(shuō)：“美國(guó)已經(jīng)存在的深鹽層，是長(zhǎng)期處置的候選者之一。這種‘高放射性’核廢物除了產(chǎn)生必須包容的放射性外，還會(huì)產(chǎn)生大量的乏熱。我們需要開(kāi)發(fā)一條明確的路徑來(lái)處理這些廢物。”地下存在鹽礦床。它們會(huì)自我修復(fù)，滲透性非常低，導(dǎo)熱良好。所有這些都對(duì)核廢料釋放自然熱很重要。鹽可以成為放射性核素長(zhǎng)期釋放到人類(lèi)環(huán)境中的絕佳屏障。

美國(guó)和德國(guó)正在鹽礦床類(lèi)的儲(chǔ)存和處置庫(kù)中處置中低放核廢物。這些廢物不會(huì)產(chǎn)生那么多的熱量。因此，確定鹽礦床對(duì)高放核廢物的安全性和有效性，還需要更多的研究。但是，鹽不僅是一種物理屏障，它也是一種化學(xué)屏障。因此，需要研究這些鹽礦場(chǎng)會(huì)與水、熱和其他地質(zhì)因素產(chǎn)生何種反應(yīng)。

最近的地下熱測(cè)試始于創(chuàng)建一個(gè)完整尺寸的廢物實(shí)物桶，并將它加熱近一年。這是自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，美國(guó)首次開(kāi)展這類(lèi)試驗(yàn)。

與此同時(shí)，美國(guó)能源部的研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展一項(xiàng)活動(dòng)，研究核廢物儲(chǔ)存庫(kù)的通常特性。這包括研究在鹽中水如何向熱源遷移。Stauffer 和團(tuán)隊(duì)其他成員一起加入了“鹽中鹵水可用性測(cè)試”(或稱(chēng)為BATS 項(xiàng)目)。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在幾年前開(kāi)始了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。

通過(guò)在鹽礦廠中鉆孔、并利用加熱器對(duì)這些處于鹽里的洞進(jìn)行測(cè)試，研究人員很有發(fā)現(xiàn)，為決策提供了信息。測(cè)試發(fā)生在地下深處，是在大型鉆機(jī)設(shè)備挖出的被稱(chēng)為走廊的坑內(nèi)。

階段1s(s代表預(yù)先準(zhǔn)備)于2018年夏天開(kāi)始，歷時(shí)近一年。Stauffer說(shuō)：“在這次初步測(cè)試中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和取得的認(rèn)知，都正在被證明對(duì)下一個(gè)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施至關(guān)重要。”此外，研究人員可以利用計(jì)算機(jī)建模來(lái)預(yù)測(cè)一些結(jié)果。Stauffer說(shuō)：“長(zhǎng)周期建模可以用來(lái)為鉆孔研究合適的初始?jí)毫推渌匾囊蛩?rdquo;。這些因素包括溫度的響應(yīng)和水的有效性。

階段1于2020年1月開(kāi)始，將持續(xù)數(shù)月。它將涵蓋更復(fù)雜的數(shù)據(jù)收集，包括光纖電纜、電阻率斷層掃描以及鹽水蒸發(fā)實(shí)時(shí)同位素測(cè)量。

在BATS 項(xiàng)目的未來(lái)階段，將對(duì)鹽水的可用性進(jìn)行研究。下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)將用于進(jìn)一步完善模型，并將與國(guó)際研究界共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃，加熱器實(shí)驗(yàn)的規(guī)模將逐步擴(kuò)大，從而最終探索出乏燃料廢料罐在鹽水的可用性，而這是高放廢物處置庫(kù)的一個(gè)可能的未來(lái)。