美計劃2020年實現“玻璃化”處理核乏料堆

2017-12-04 12:32:12 科學網　點擊量：評論 (0)

漢福德場區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，那么這個設施最終將可讓美國能源部

漢福德場區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，從二戰期間開始，廢棄物已在該場區堆放了40多年。

▲數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

該場區停止制造用于核武器的钚數十年后，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的鐵路車廂的隧道坍塌了，另外，至少有 12 名拆除員工的钚檢測呈陽性。

▲坍塌的隧道

但該場區的最大挑戰藏在地下的 177 個碳鋼儲罐中，這些埋藏的容器共裝有兩億多升高危險性液體和像花生醬一樣的污泥，足以填滿 80 個奧林匹克游泳池。儲罐中至少有 1/3 已經泄露，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保署達成的一項法律協議中，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，該機構同意玻璃化其他的罐裝廢棄物。總而言之，這一過程預計會產生重達數噸的數萬個玻璃柱。那些含有高放射性廢棄物的儲罐將被運至永久的儲存設施，其他的廢棄物將仍然存放在該場區。但這一工作卻被成本超支、工作延遲等困擾。盡管自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

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玻璃化廢棄物，但其規模和復雜程度都與漢福德場區的情況不同。

▲薩凡納河國家實驗室

漢福德場區是在二戰期間作為曼哈頓計劃的一部分設立的，用于首個核武器測試，1945 年落在日本長崎的原子彈的钚也在那里交付。此后，該場區繼續為美國核軍械生產大量的钚。與 DOE 合作有關玻璃化的實驗的華盛頓特區美國天主教大學物理學家 Ian Pegg 表示：“漢福德場區是核事業發展的全部歷史。”

4 年前，DOE 打算重新開始核乏料玻璃化進程，該機構并未建設單個玻璃化工廠，而是將工程分為兩個。第一個工廠(正在建設中)將開始玻璃化儲罐中風險較低的“低活性”液體;另一個規模更大、更加復雜的工廠則用來處理高污染性的淤泥，在研究人員解決一系列棘手的安全問題之后，便可以開始動工。

今年，DOE 報告稱，與處理高污染性廢棄物相關聯的關鍵問題已經得到解決，需要實時分析低水平污染物的實驗室也即將完工。如果能夠按計劃進行，該場區最早將在 2022 年制作出第一個玻璃圓柱。

而漢福德的批評人士已經習慣了最后期限和管理丑聞，對此仍持質疑態度。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。

混合醞釀的“毒物”

▲核反應堆艙運往第94號反應堆存放點

漢福德場區使用不斷變化的技術組合產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。華盛頓州里士滿 DOE 玻璃科學家 Albert Kruger 說，人們“會朝那些罐子里扔各種可以想象到的東西”，包括被污染的手套、木板、巖石和卷尺等。

一旦去除其中的一些碎石，玻璃化將讓核乏料與包括硅、硼等物質混合在一起，然后加熱至近 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和放射性核素的混合物，只有在廢棄物被萃取之后才能夠被完全識別。其中一些物質會導致玻璃弱化，而另一些物質如碘，不能封閉，只能去除，漢福德場區的科學家需要根據每批廢棄物確定相應的玻璃配置。

自 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施相關技術的一家公司。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。

▲漢福德工廠核廢水處理現場

當時，漢福德場區預計會花費 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細節，該項目的成本和復雜性不斷攀升。到 2012 年，一些高級官員(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生的氫會在容器和管道中積累，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危險的鏈式反應。

時任 DOE 部長的朱棣文召集了專家組進行調查。最終，要求Bechtel 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施目前仍在使用，但 DOE 及其承包商已花費數年時間研究使用計算機模型和原型的技術問題。今年 2 月，該機構宣布，已解決與氫積聚有關的問題。熟悉這項工作的科學家說，對新設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。