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2018-11-15 08:33 来源:秦皇岛

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《自然》:核废料岂能一“埋”了之
来源:     作者:      2018-11-15 16:55       
摘要:美国新墨西哥州东南部城市卡尔斯巴德附近600多米深的地下是全球唯一接受超铀元素——比铀更重的放射性元素——核乏料的深部地质处置库。

盛放着美国核防御计划核乏料污染物的滚筒被储存在新墨西哥废弃物隔离中试工厂(WIPP)。

图片来源:Jim West

美国新墨西哥州东南部城市卡尔斯巴德附近600多米深的地下是全球唯一接受超铀元素——比铀更重的放射性元素——核乏料的深部地质处置库。这个名为废弃物隔离中试工厂(WIPP)的核乏料储藏库由美国能源部(DOE)管理,用于处置来自该国核防御计划的实验装置、衣物以及残余物。在过去15年中,大约9.1万立方米(相当于一个足球场上堆积着13米高的废弃物)的超铀废弃物被储存在这里,大多数放射水平较低。

绝大多数废弃物是寿命很长的钚的同位素(主要是钚-239,其半衰期为24100年;钚-240,半衰期为6560年)以及半衰期更短的镅和锔。在距今2.5亿年前形成的一个古老岩床上开凿的空间中,这些废弃物被储存在成千上万的塑料外壳钢滚筒中。该储存库现储存量已达到原计划的一半,预计到2033年封闭。

但是新的需求也在涌现。2000年,与俄罗斯签署的一项核武器控制协定迫使美国处置拆除核武器后产生的34吨钚。为此,近日美国斯坦福大学国际安全与合作中心博士后Cameron L. Tracy、该校地质科学部研究生Cameron L. Tracy以及该校国际安全与合作中心核安全教授Rodney C. Ewing在《自然》发文,提出重新评估该核乏料库的安全风险势在必行。

曾发事故

当前,DOE负责对WIPP进行安全评估,确保它不会超过国家环保署(EPA)规定的1万年内放射性物质暴露限制。根据美俄核武器协定条款,美国计划把核物质转化成燃料——混合铀和钚的氧化物(MOX),使其用于商业核电站。但是由于南卡罗来纳州萨凡纳河畔的MOX加工设施建造成本上涨,DOE委托专家委员会重新考量评估方案。

2015年8月发布的最近报告建议在WIPP埋藏这些核武器中的钚。考虑到该核乏料库一直以来的“成功表现”,DOE的红色团队专家组提议,34吨用于核武器的钚的放射浓度在被稀释到WIPP超铀乏料的水平后,可以存放到该乏料库。

事实上,WIPP的安全记录也很混杂。2018-11-15,一个核乏料桶的爆炸向地表释放了少量钚和镅(其放射性在100毫居左右)。空浮放射性物质通过排气系统到达地表,从该储藏库的排气孔中传播了900米。21名工作人员接触到了低水平的放射性物质,其中接触水平最高的相当于X光胸检时的辐射水平。而在此9天前,一辆燃烧卡车上排放的烟雾曾充斥地下工作系统,导致机械、电气和通风系统损坏。

DOE称类似事故并不足以让该核乏料库的长期效应打折扣。如果汲取教训,其安全性仍然有保障。人们担心的不是该事件的安全性,而是事件本身在预料之外。这些事件表明,很难在千万年的尺度上预测安全措施的潜在问题。例如,对该储存库的地质化学评估或是对其进行钻探都可能会低估其中的风险。

在扩展WIPP的钚库存量之前,DOE必须更加谨慎地对其1万年甚至更远未来的安全进行评估和审慎监测。

自满文化

2014年的WIPP放射性物质泄漏是由一个乏料桶中的化学反应产生的热量导致的。当时新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANI)的钚钝化废弃物——含放射性的钚硝酸盐与一种有机物发生化学反应,该有机物是小麦制成的商业猫砂,其用途是吸收液体废料。化学反应产生的热量使桶盖爆开,尽管感应器检测到放射性物质及其通过过滤器释放出的废气,一些放射性物质依然发生了泄漏。WIPP操作人员密封了过滤系统漏洞以及出现漏洞的储藏室,那个破坏的乏料桶依然保存在乏料库中。

DOE对此次事故的分析记录了WIPP缺乏“安全理念”。由于该设施已经成功运行了15年,使相关人员产生了自满情绪。然而,事实上相关短板仍广泛存在,如安全评估、桶内乏料管理、安装及维持设备以及对事故的应急措施等。

从系统分析的角度来看,这次乏料桶事故属于“常规”事故,即由人员操作失误导致的系列错误和破坏,使情况变得更糟的还有包括操作人员未能遵守安全章程。但此次WIPP事故也有积极的一面,它代表了吸收教训的机会。DOE严格调查了事发原因并采取了正确的行动,乏料桶中不再包含互不相容的化学物质。

但是一旦乏料库关闭后就不能再对其内容物进行监测或是纠正其中的问题。把时间维度考虑在内,很难保证未来该地区的居民都知道哪里是WIPP的选址。

长期安全

WIPP当前的安全评估主要参照两个方面,一是不受干扰性;二是人类的入侵性。

前者预测了核废料库关闭之后,其选址处的盐层可能会变形,流到乏料桶周围包围核乏料。相关模型假设如果在没有诸如卤水等液体存在的情况下,该储藏库选址在地质上仍会是相对孤立的。而人为入侵可能向环境中释放放射性物质。比如,盐层经常与矿藏及油气等能源资源相关联,因为未来1万年人们是否会在地上凿洞非常关键。

在预测未来凿孔可能性时,EPA利用该地区百年历史平均比例进行了预测,认为未来1万年监管期内每平方公里可能会出现67.3个钻孔。近年来,WIPP附近的钻孔数量迅速上升,由于水平钻孔和水力压裂技术让人们可以获得含烃岩层中的能源,使得帕米亚盆地成为美国石油产量最丰富的地区。近10年来,每平方公里土地平均钻孔量达148个,使该核乏料库的人为入侵风险增加了1倍多。

红色团队专家组的报告提出在把核武器中的钚储存到“惰性掺杂物”(通常由水泥、凝胶、增稠剂和发泡剂等混合物构成)中之前,应该对其进行稀释。该报告并未阐明“惰性”指的是什么,但是惰性物质非常稀少,尤其是那些需要维持数千年不变的化学物质。

钚的反应

关于含钚固体物质,证明其化学惰性存在极大挑战。在近地表情况下,钚可以存在4种氧化态,每种都有着不同的固态及地质化学行为。其衰变产物铀-235主要存在两种氧化态,U4+和U6+,每种氧化态都有着不同的地质化学活性。这种复杂性使科学家很难预测这些锕系元素将会如何反应或者如何搬运。

而且,锕系元素的衰变主要是因为α粒子(高能氢原子核)的散射。在每次衰变过程中,子核会反冲并取代周围固体中成千上万的原子。随着时间的流逝,这些能量损失逐渐积累,进而改变这些物质的性质和化学稳定性。尽管在过去20年间,含锕系元素物质的放射作用得到了很好的研究,但是红色团队专家组的评估报告中并未涉及这些内容。

正因为如此,把核武器中的钚经过“稀释及处理”后形成的钚氧化物埋藏在WIPP的提议迅速激起安全争论。这些额外的钚几乎相当于现有已封存钚(约12吨)的3倍,而WIPP储存库在设计之初并未考虑到如此大规模的处理量。WIPP的储量可能会扩大15%,增大了未来钻孔可能穿过该核乏料库的可能性。

而且,这些锕系元素库存的改变需要对包括卤水和二氧化碳在内的相关物质之间可能发生的反应进行新的评估。钚在卤水中的活动量取决于其可溶性,而其可溶性又取决于其形式及和氧化镁反应之后的二氧化碳水平。

未来管理

相对钚-239的半衰期24100年来说,当前1万年的时间考量仍然较短,更不用说铀235,其半衰期长达7亿年。为了容纳多余的钚,当前的管制期限可能需要延长,这意味着在此期间人类入侵风险的几率会再次加大。

这些问题促成了2015年的两次审核,形成了红色团队专家组和佐治亚州格林斯博罗高桥公司的两份报告。但是相关分析并未考虑未来人类入侵的可能性。

WIPP正在完成一项重要的国家需求——处理国家核防御计划中的超铀废弃物。其开端是20年的科学研究、工程设计和公众参与。尽管此前曾出现过一些事故,WIPP仍然能够完成其使命。然而,大幅增加钚储量以及失效的安全评估,尤其是人类侵入的可能性,证明了这一政策决定忽视了基本的科学因素。

红色团队专家组的报告展现了在考量或管理固有风险方面存在的缺陷。专家认为,该报告中关于处理WIPP储藏钚的相关建议的短板折射出2014年事故中的人为操作失误。在DOE考虑实施这些建议之前,应该首先回顾并参考该储藏库过去15年的运行情况,并在未来1万年的时间尺度上重新评估该设施的安全性。

(冯丽妃)


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