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美計劃“玻璃化”最龐大核乏料堆
數(shù)十年制作核武器形成的核乏料被埋在美國華盛頓州漢福德場區(qū)。
漢福德場區(qū)正在進行著一場建筑熱潮，這里曾是美國華盛頓州東南部大風肆虐的一處秘密綜合設(shè)施所處地點。建筑人員正忙著在明年6月完成一座高27米的混凝土建筑。如果一切進展順利，那么這個設(shè)施最終將可讓美國能源部(DOE)處理那里的放射性含毒廢棄物，從二戰(zhàn)期間開始，廢棄物已在該場區(qū)堆放了40多年。
在該場區(qū)停止制造用于核武器的钚數(shù)十年來后，漢福德核行動的殘留物仍在制造麻煩。今年，一個裝滿放射性物質(zhì)的鐵路車廂的隧道坍塌了。 另外，至少有12名拆除一座被污染建筑的員工钚檢測呈陽性。但該場區(qū)的最大挑戰(zhàn)藏在地下的177個碳鋼儲罐中。這些埋藏的容器一共裝著兩億多升高危險性液體和像花生醬一項的污泥，它們足以填滿80個奧林匹克游泳池。這些儲罐至少有1/3已經(jīng)泄露，使放射性核化學廢棄物對地下水造成污染。
在1989年與華盛頓州和美國環(huán)保署達成的一項法律協(xié)議中，DOE通過一個叫作“玻璃化”的過程，致力于用堅固的玻璃柱固定最危險的廢棄物。若干年后，該機構(gòu)同意玻璃化其他的罐裝廢棄物?？偠灾@一過程預計會產(chǎn)生重達數(shù)噸的數(shù)萬個玻璃柱。那些含有高放射性廢棄物的儲罐將被船運到一個永久的儲存設(shè)施;其他的廢棄物將仍然存放在該場區(qū)。但這一工作卻被成本超支、工作延遲等困擾。盡管從1997年以來DOE在廢料罐問題上已花費了200億美元，但仍未將核乏料玻璃化。
核乏料玻璃化
4年前，DOE打算重新開始核乏料玻璃化進程。它沒有建設(shè)單個玻璃化工廠，而是將工程分為兩個。第一個工廠(正在建設(shè)中)將開始玻璃化儲罐中風險較低的“低活性”液體。另一個規(guī)模更大、更加復雜的廠子則用來處理高污染性的淤泥，它將在研究人員解決一些棘手的安全問題之后開始動工。
在兩方面都有一些進展的跡象。今年，DOE報告稱，它解決了與處理高污染性廢棄物相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵問題。一個需要實時分析低水平污染物的實驗室即將完工。如果工作能夠按計劃進行，該場區(qū)最早將在2022年制作出第一個玻璃圓柱。
漢福德的批評人士已經(jīng)習慣了最后期限和管理丑聞，對此仍持質(zhì)疑態(tài)度。華盛頓州的官員已在法庭就清潔目標和最終期限爭斗了近30年，但他們對目前在軌運行的項目抱有希望。“有樂觀的原因。”華盛頓生態(tài)管理署監(jiān)管廢料罐活動的Suzanne Dahl說。
科學家從20世紀50年代就開始研究玻璃化，一些國家曾用這一過程穩(wěn)定核乏料，包括法國、印度、俄羅斯、英國等。美國也在DOE位于南卡羅萊納州的薩凡納河場區(qū)玻璃化廢棄物，但其規(guī)模和復雜程度都與漢福德場區(qū)的情況不同。
漢福德場區(qū)是在二戰(zhàn)期間作為曼哈頓計劃的一部分設(shè)立的，那里交付用于首個核武器測試以及1945年落在日本長崎的原子彈的钚。此后，它繼續(xù)為美國核軍械生產(chǎn)大量的钚。“漢福德場區(qū)是核事業(yè)發(fā)展的全部歷史。”華盛頓特區(qū)美國天主教大學物理學家Ian Pegg說，他與DOE合作有關(guān)玻璃化的實驗。
混合醞釀的“毒物”
漢福德場區(qū)使用的不斷變化的技術(shù)組合產(chǎn)生了獨特醞釀的毒物，包括放射性銫、鍶、镅和殘留的钚以及重金屬和各種化工原料。儲罐內(nèi)還有其他的物質(zhì)。華盛頓州里士滿DOE玻璃科學家Albert Kruger說，人們“會朝那些罐子里仍各種可以想象到的東西”。他的清單中包括被污染的手套、木板、巖石和卷尺等。
一旦其中的一些碎石被去掉，玻璃化將讓核乏料與包括硅、硼等物質(zhì)混合在一起，然后被加熱到近1150℃。隨后，熔化的混合物在不銹鋼罐中冷卻，制造出硼硅酸鹽玻璃大圓柱體——與烘箱中安全的玻璃器皿是同樣的材料。
在這一過程中，因為每個罐子中盛放著各種化學物質(zhì)和放射性核素的混合物，它們只有在廢棄物被萃取之后才能夠被完全識別。其中一些物質(zhì)會導致玻璃弱化。而另一些物質(zhì)如碘，不能被封閉其中，只能被去除。這有點類似于混合不同葡萄酒而制成的干邑白蘭地，漢福德場區(qū)的科學家將需要根據(jù)每批廢棄物確定相應(yīng)的玻璃配置。Kruger說：“沒人愿意試聞它的氣味，沒人愿意品嘗它，這是一種等效機制。”
從1989年以來，有很多合同商曾在漢福德項目工作，其中包括英國核燃料有限公司，這是一家由英國政府擁有的出口塞拉菲爾德核分解綜合設(shè)施相關(guān)技術(shù)的一家公司。隨著成本估值上漲，2000年，DOE雇傭建筑和工程巨頭——加州舊金山貝克特爾公司作為其主要承包商。
當時，漢福德場區(qū)預計會花費43億美元，并在2007年開始做玻璃柱。但隨著工程師開始實施安全和技術(shù)細節(jié)，該項目的成本和復雜性不斷攀升。到2012年，高級官員——包括一名DOE原雇員和被炒魷魚后做出檢舉者投訴的兩名承包商——對該項目表示擔心。其中一方面是氫，熱量和輻射分裂水分子時產(chǎn)生的氫會在容器和管道中積累，從而形成爆炸風險;另一方面，用來保持重粒子運動的混合容器不夠強大。隨著時間的推移，足夠多的殘余钚可能會形成一種危險的鏈式反應(yīng)。
時任DOE部長朱棣文召集了一個專家組進行調(diào)查。最終，Bechtel被要求首先建造一個僅將液體廢料玻璃化的工廠。液體占核乏料總量的90%，但只占其放射性的10%，且其需要進行的處理比高污染性廢料少：它可以被提煉從而除去高放射性的銫，然后直接被送去玻璃化。“這是合理的。”田納西州納什維爾范德堡大學化學工程師、朱棣文專家小組的David Kosson說。如果必須從一個地方開始，那么“低活性廢棄物是一個不錯的選擇”。
揮之不去的問題
這些高放射性廢棄物設(shè)施仍在使用中，但DOE及其承包商已花費數(shù)年時間研究使用計算機模型和原型的技術(shù)問題。今年2月，該機構(gòu)宣布已解決與氫積聚有關(guān)的問題。熟悉這項工作的科學家說，對新設(shè)計的混合容器的測試已接近完成，顯然沒有任何重大故障。該容器配備了6個“脈沖噴射混合器”，它可以像火雞澆油管一樣把廢棄物吸走和泵出，從而讓固體不會沉降下來。
研究人員也在玻璃配置上取得進展。Kruger和外部科學家已經(jīng)證明，某些成分可以比此前估計的容納更多廢棄物，因此可能會節(jié)省成本。Kruger說，高放射性廢物設(shè)施中生產(chǎn)的玻璃柱的數(shù)量可能會從1.8萬個降至7000個。低放射性工廠可能只需要生產(chǎn)7萬個左右的玻璃柱，而不是14.5萬個。
但問題依然存在。DOE在2015年的一份報告記錄了可能影響低輻射性工廠運行的500多個漏洞，其中包括一些用于處理放射性物質(zhì)的電氣和機械系統(tǒng)。
并非所有人都相信玻璃化是應(yīng)該走的路。DOE受法律協(xié)議和核乏料監(jiān)管的約束在推進這一進程，但從技術(shù)角度看卻有更好的選擇，某獨立研究中心顧問及原主任Jim Conca說，該中心支持新墨西哥州卡爾斯巴德市外的廢料隔離試驗工廠(WIPP)，這是美國運營的唯一一個深地質(zhì)庫。
漢福德高放射性廢棄物目前計劃將在尤卡山處理，這是內(nèi)華達州一個擱置已久的地質(zhì)庫。滲水是人們關(guān)注的一個問題，因此必須將廢棄物包裹在玻璃中以確保其在數(shù)千年內(nèi)保持穩(wěn)定。但Conca說，罐裝的污泥足夠安全，可以將其直接干燥送到WIPP——如果可以改變規(guī)定允許這一操作。類似地，低活性放射物可以與漿液混合，產(chǎn)生類似于混凝土的材料，很多人認為這會更便宜，更安全。
朱棣文仍然相信玻璃化能起作用，但他說DOE應(yīng)該接受新科學并根據(jù)需要改變方向。更概括地說，他表示，在解決關(guān)于如何、在哪里處理核乏料的問題上，這個國家還有很長的一段路要走。“這是一個重大的問題，要想找到一條更好的道路，就必須有大量好的科學研究。”他說，“要永遠保持思想開放。”
漢福德玻璃化設(shè)施的成本現(xiàn)在為168億美元。假定最新的時間表不會變，高水平核乏料工廠將可以在本世紀30年代初開啟，其運行將會持續(xù)數(shù)十年。與此同時，危險核乏料將會被留在地下，雖然看不到，但令人憂心。
