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核废料处置最优方案:深度隔离

2021-07-16 11:43     核废料处理国际原子能机构
根据国际原子能机构(IAEA)的数据,全球估计有250,000吨储存乏燃料,另有120,000吨再处理乏燃料。

各国政府、监管机构、科学家和核工业界都达成了一个全球共识,即处理这些废物的最安全的选择是在地质处置库中。

尽管已经达成了这一共识,但经过40多年的研究、规划和决策,目前还没有建成一个高放废物(HLW)处置库。 芬兰和瑞典已经颁发了建筑许可证,美国联邦政府一直在努力处理乏燃料,但效果并不理想,造成政府、工业界和纳税人每年损失数十亿美元。而且情况越来越糟。

1、“深度隔离”理论


福岛核电站临时存放于现场的高放射性废水

深度隔离的想法源于伯克利地球公司(Berkeley Earth),该公司是一家致力于通过节能、页岩气燃料和核能三位一体来应对气候变化的环保组织。

石油和天然气钻探技术的最新进展,激发了“深度隔离”创始人的灵感,打算将其用于解决核废料问题。


 
“深度隔离”的两位联合创始人分别是CEO伊丽莎白·穆勒(Elizabeth Muller)和CTO(首席技术官)理查德·穆勒(Richard Muller)(这两人也是父女关系)。

伊丽莎白·穆勒是全球变暖参与、战略和沟通方面的专家,理查德·穆勒是麦克阿瑟式的天才,也是核物理领域的科学家、教育家和作家。

两人认为,水平钻探提供了一种简单而安全的方法,可以将核废料深埋在稳定的岩石中,因为据研究,这些岩石中的挥发性物质已经保存了数百万年,地质特征十分稳定。

与大型矿山存储相比,这些较小的设施存放放射性物质,可以降低工人暴露辐射风险,操作设施所需的工人也更少。钻孔可以靠近现有的核废料仓库,减少运输风险。建造几个较小的设施可以减轻公众的负担。

总体来说,“深度隔离”成本相当低廉,大概是开采矿藏资金的一小部分。

2、乏燃料处置不断增加的成本

自1983年以来,美国联邦政府已经利用纳税人400多亿美元建造和运营一个永久性核废料储存库。政府也已花费150亿美元在尤卡山开发并许可一座矿山。但由于政府未能履行接管和处置约80万吨乏燃料的法定承诺,法院下令向政府提出高达340亿美元的索赔承担责任。

一直以来,世界各国都默认在核电站现场存储乏燃料,不仅是临时性的,而且存储成本十分高昂。美国就每年花费大约30亿美元用于乏燃料的临时性储存,全球每年的数字超过130亿美元。

目前的处理方法需要挖掘大量的地下储存库,并将核废料放置在一个隧道网络中。


尤卡山核废料地质处置库内部规划图

以尤卡山为例,尤卡山存储库将在地下深处修建一条长达5英里的U形主蓄水隧道,建成后,该设施将由2000-2500名工程师和相关人员维护。 乏燃料存储研究和国际合作也取得了可观的成效。
 

芬兰目前已经完成两个坑道的乏燃料处理

瑞典和芬兰的第一批存储库即将完工,加拿大正在推进设施选址的适应性分阶段管理方法。这些看似进展十分顺利的国家,其实背后也有无数的失败和教训。

政府为这些大型工程项目提供的预算同样庞大。

在美国、加拿大和英国,每吨乏核燃料的平均处置成本估计约为136万美元。按照这个成本算法,仅在这三个国家处理现有的高放废物就需要1450亿美元。而处理全球核废料将花费5560亿美元以上。

即便耗资如此巨大,储存库仍然十分紧缺,全球还在不断产生新的乏燃料。这意味着,这些巨大的处置成本将持续攀升。

相比之下,20多年来,美国的油气工业已经钻探了50000多口水平井,留下了十分丰富的技术和经验,可以借鉴用来精确地指导核废料处置钻孔。

甚至可以用上旧油田管道,钻一个新的孔与之相交,充分利用油田管道特定的地质构造特点,不仅仅包括钻孔的深度和角度。

3、“深度隔离”潜在吸引力
 

高放物地质存储

钻井成本已经大幅下降,水平井现在每口价值也就几百万美元。低廉的钻孔,与投资数十亿美元用于开采储存库相比,“深度隔离”方案的潜在吸引力越发明显,特别是对于那些储存废物较少的国家(基本都是小型核能项目)。

“深度隔离”水平钻孔将有几千英尺深,钻孔可能达到低渗透地质层。

过程相当简单,首先钻一个垂直的钻孔,然后水平径直钻探两英里。这些孔的直径可能有所不同,可以容纳各种大小的乏燃料罐。据目前估计,两到三个水平钻孔可以安全地储存一个典型核电站寿命期内产生的所有废物。

存储罐将由耐腐蚀合金制成,这些处理罐在低氧环境中使用,预计可以保存数千年。

这种结构的乏核燃料储存罐,在放置数十年后也可以回收。罐设计有锁紧机构,以便在需要时与钻井设备重新连接进行拆卸。即使在钻孔被回填和堵住之后,装满废物的罐子也可以通过重新钻孔来取回。

事实上,储存罐回收并不简单,因为这里面也增加了安全防范装置,用来防范恐怖分子。

在钻孔被密封后,如果又要打开,就需要一个大型钻机一个多星期才能重新钻透。然后,专业钻井队需要找到并取回处理罐。 因此,尽管设计中内置了可检索性,但这并不是可以迅速或通过隐蔽方式随便找到移动的。 还有很多工作要做,但解决办法似乎很简单。“深度隔离”认为,利用水平钻孔技术处理1GW核反应堆产生的废物,建立第一个深度地质处置场,最短3年内就有可能实现。主要的挑战不在于技术领域,而在于政治意愿和公众接受。 地质构造和深度是阻止废物进入生物圈的最终地质屏障。此外,钻孔将用材料回填和堵塞,并确保不会泄露到表面,保证更安全的处置环境,内置冗余以实现长期性能,并更好地保护人员和环境。 深钻孔处置概念的一个独特方面是,能够将废物放置在核反应堆现场或其他已经储存核废物的位置或非常接近的位置。这样就不需要运输乏燃料。

4、技术推广真正的障碍


 
这项技术看起来很有前途,但需要足够的资金和政府的研发支持。测试和数据收集以支持潜在的许可,可能需要数百万美元和几年的时间,但相比之下,这仍然是一笔划算的交易。

水平钻孔存储库的真正障碍有两个:政策和立法,公众接受。

穆勒团队知道,外界对他们充满相当大的疑虑。因此,他们请来了核物理、地质学、政府事务、利益相关者参与和商业发展方面的专家。

该团队确定了公私合作模式,以形成一个以社区参与为重点的清洁技术初创公司。在政府资源和问责制的支持下,私营部门的创新和动力可以是一个强有力的组合。

社区参与是“深度隔离”的核心价值。安全和有保障的废物处理成为向社区提供的解决方案,而不是强加给社区。真正的区别在于赢得和保持对社区的信任和信心。

“深度隔离”正与政府和社区合作,提供一个健康持久的基础。

政治和法律挑战是完成尤卡山储存库的主要障碍。内华达州每年花费350万美元的法律费用,以防止该设施被用来存放核废料。

过去的努力清楚地表明,适当和有效的社区参与是必不可少的。最近在美国进行的一项替代处置方案的试点试验就震惊了社区,该项目因此被迫取消,尽管试验本身不涉及任何放射性物质。

当地人不相信政府声称这些地点永远不会被用来处理核废料的说法。糟糕的社区参与可能会在项目开始前就注定失败。

“深度隔离”将使各级人民和社区参与进来,并尽早做到这一点。在工人和设备进驻现场之前,打消疑虑和建立可靠关系的时间是很长的。“深度隔离”认为,将私营部门的创新与公共部门的资源、问责制以及社区支持结合起来,可以打破国际核废料僵局。

政府和工业界在改革经济和改善生活之前已经走到了一起。例如,美国的一项立法改革使联邦快递得以彻底改变航运业,政府的购买力使Space X得以大幅降低成本,并为高度监管的航天行业的进步铺平道路。这种伙伴关系也可以解决核废料的挑战。

深度隔离的解决方案可以提供一个更简单,更安全和更具成本效益的解决方案,以解决核废料本身的僵局,或补充已开采的储存库,如超额认购的尤卡山项目。 通过改进社区参与优先的方法,社区可能在地方决策中发挥更大的作用。

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