核廢料“10萬年封印”探秘

核廢料處理屬于世界級(jí)難題。而在芬蘭西海岸的奧爾基盧奧托島，正在建造一個(gè)用來儲(chǔ)存核廢料的地下倉庫。該倉庫的設(shè)計(jì)考慮了地震甚至是未來冰河時(shí)代的潛在影響，可安全存放核廢料10萬年。此舉或?qū)⒊蔀槠渌麌倚Х碌哪０濉?/p>

核廢料處理屬于世界級(jí)難題

核廢料泛指在核燃料生產(chǎn)、加工和核反應(yīng)堆用過的不再需要的并具有放射性的廢料，也專指核反應(yīng)堆用過的乏燃料。

核廢料分為高放射性、中放射性、低放射性三類。

中低放射性核廢料一般包括核電站的污染設(shè)備、檢測設(shè)備、運(yùn)行時(shí)的水化系統(tǒng)、交換樹脂、廢水廢液和手套等勞保用品，對(duì)人及環(huán)境危害性較低；高放射性核廢料則主要包括核燃料在發(fā)電后產(chǎn)生的乏燃料及其處理物，內(nèi)含有多種對(duì)人體危害極大的高放射性元素，例如只需10毫克就能致人斃命的钚。

除危害性極大外，核廢料中的這些高放射性元素還有半衰期（放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所需要的時(shí)間）超長的特點(diǎn)，典型的例如鈾-238（軍用貧鈾彈的主要材料），其半衰期長達(dá)44億5千萬年；钚-239，半衰期長達(dá)2.4萬年；锝-99，半衰期長達(dá)21萬年等。

另外，這些核廢料還有強(qiáng)輻射劑量的特點(diǎn)。雖然核廢料已無法再為核反應(yīng)堆提供能量，但仍能釋放高劑量放射性粒子，人員即使穿著重型防護(hù)服也存在一定風(fēng)險(xiǎn)，只能使用專用機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸，而且費(fèi)用極高。

以一座發(fā)電功率100萬千瓦的核電站為例，其一年可產(chǎn)生幾十噸核廢料，這些核廢料加工處理后將產(chǎn)生4立方米高輻射核廢料、20立方米中輻射核廢料、140立方米低輻射核廢料。

這些核廢料都暫存在核電廠自建的硼水池中，硼水可吸收核廢料產(chǎn)生的大部分能量（例如大量中子）。每個(gè)硼水池足以儲(chǔ)存核電站10年運(yùn)行所產(chǎn)生的高放射性核廢料。之后這些核廢料將被轉(zhuǎn)運(yùn)到國家統(tǒng)一的放射性核廢料處置庫。

國際上對(duì)于高放射性核廢料的處理方式，通常是不論固體核廢料還是液體核廢料，都要先進(jìn)行玻璃固化處理，之后裝入可屏蔽輻射的大型金屬罐（通常為不銹鋼制成）中，再深埋到400米或500米深的地下處置庫中。

另一種備選方案是將裝有核廢料的金屬罐投入選定海域4000米以下的海底，但由于潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較大且受技術(shù)限制，目前除俄羅斯外，并未被他國所采用。

芬蘭核廢料站隱匿地下500米處

美、俄也未能解決“燙手山芋”

作為世界上最早建成人工可控核反應(yīng)堆和試爆原子彈的國家，美國是目前世界上最大的核廢料生產(chǎn)國，擁有8萬多噸核廢料。國內(nèi)上百個(gè)核電站每年產(chǎn)生約2000噸核廢料，其中高放射性核廢料分布在全國39個(gè)州的131個(gè)暫存地點(diǎn)。

對(duì)于如此多的“燙手山芋”，美國能源部早在1983年就啟動(dòng)了建造第一個(gè)永久性核廢料處置場的計(jì)劃，地點(diǎn)位于內(nèi)華達(dá)州拉斯韋加斯西北150公里、內(nèi)華達(dá)核武器試驗(yàn)場附近的尤卡山。

截至2009年，美能源部已花費(fèi)了約130億美元在當(dāng)?shù)亟ㄔ炝艘粭l8000米長、穿越整個(gè)山區(qū)的U形隧道，其中有些部分在地下300米深處，這條隧道還將包括幾十條支線隧道。

按原計(jì)劃，會(huì)由專業(yè)人員負(fù)責(zé)將運(yùn)載有核廢料的鋼制容器的地下列車送入地下儲(chǔ)存隧道，最多可儲(chǔ)存10萬噸核廢料，在經(jīng)過100年的運(yùn)營后，將隧道永久封閉。

盡管有人質(zhì)疑將該設(shè)施修建在靠近圣安德列斯斷層附近，存在較大安全隱患，但設(shè)計(jì)人員在經(jīng)過勘探后，確信尤卡山處在一個(gè)地質(zhì)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，即使在靠近地表的淺層發(fā)生強(qiáng)震，也不會(huì)對(duì)地下幾百米深處產(chǎn)生影響。遺憾的是，這一工程因受到當(dāng)?shù)鼐用窈驼蛷?qiáng)烈反對(duì)，先是于2009年推遲建設(shè)，最后于2012年被時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬下令撤銷項(xiàng)目資助。

世界上第一座核電站由蘇聯(lián)于1954年6月建成，當(dāng)時(shí)被稱為人類和平利用核能的樣板。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯成為世界上第二大核廢料生產(chǎn)國。1995年，時(shí)任俄羅斯總統(tǒng)葉利欽啟動(dòng)了一個(gè)為期10年的計(jì)劃，用于研究長期處置核廢料。

目前在位于北極圈內(nèi)的俄羅斯北摩爾曼斯克州的科拉半島的安德烈夫?yàn)硟?nèi)，建有三座海底核廢料儲(chǔ)存庫。這三座“海底核墳?zāi)埂狈謩e于1982年和1983年開始投入使用，用于“臨時(shí)存放”2.1萬支廢棄的高放射性核燃料棒。這些“核墳?zāi)埂本嚯x挪威邊境僅有45公里，而且均位于淺海地區(qū)，潛在安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

蘇聯(lián)方面當(dāng)時(shí)說，這些“核墳?zāi)埂敝皇恰皶簳r(shí)的”，而且安全性很高。核儲(chǔ)存庫外的特殊混凝土墻壁“能抵御8級(jí)強(qiáng)震，甚至能抵御低當(dāng)量的戰(zhàn)術(shù)核彈直接命中”。不過，一家挪威環(huán)保組織卻稱儲(chǔ)存庫外部的混凝土墻壁出現(xiàn)了大小不等的裂縫，高腐蝕性的海水正在滲入儲(chǔ)存庫內(nèi)，侵蝕著里面的核廢料，釋放出細(xì)小的鈾粒子。而這些鈾粒子可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，或會(huì)給北歐乃至歐洲造成環(huán)境災(zāi)難。

10萬年的“核封印”有待時(shí)間驗(yàn)證

鑒于目前尚未有國家建成永久性的核廢料處置設(shè)施，世界將目光都集中到了北歐國家芬蘭。

從地理環(huán)境上看，芬蘭比較適合成為建造核廢料處置設(shè)施的候選地，因?yàn)楫?dāng)?shù)匚窗l(fā)生過重大自然災(zāi)害，遠(yuǎn)離地震帶、火山、臺(tái)風(fēng)區(qū)，有記錄的最大地震還是發(fā)生在1898年，僅為4.7級(jí)，都未達(dá)到破壞性地震級(jí)別（5級(jí)以上）。

此外，芬蘭還有使用核電的經(jīng)驗(yàn)。世界核能協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，芬蘭目前擁有4座核反應(yīng)堆，為其國內(nèi)提供了近30%的電力?！皧W爾基盧奧托島核電站3項(xiàng)目”將成為其國內(nèi)第五座核反應(yīng)堆。芬蘭能源公司-工業(yè)電力公司稱，該核電站將于2018年年底開始正常發(fā)電，凈發(fā)電量將達(dá)到1600兆瓦左右。

巧合的是，在位于其西海岸的奧爾基盧奧托島上，芬蘭核廢料處理領(lǐng)域的“業(yè)界領(lǐng)頭羊”波西瓦公司正在建造全球第一個(gè)地下永久性核廢料儲(chǔ)存庫，建造工程名為“翁卡洛”，芬蘭語意為“隱匿之地”。

這個(gè)儲(chǔ)存庫距離正在運(yùn)行的2座核電站僅有不到3.2公里，在投入使用后，能較方便地直接將核廢料運(yùn)至“翁卡洛”內(nèi)。該設(shè)施位于地下420多米，建成后將成為全球成本最高、儲(chǔ)存時(shí)間最長的核廢料儲(chǔ)存庫。

“翁卡洛”工程于2004年啟動(dòng)，2005年正式動(dòng)工，目前“翁卡洛”工程已建成一條蜿蜒5公里的隧道和三座用于通風(fēng)和人員進(jìn)出的立井。按計(jì)劃，最終的設(shè)施隧道長度將達(dá)32公里，最深處將達(dá)地下520米，一條盤旋的汽車隧道以及出入和通風(fēng)井通往地下427米處。在那里，核廢料將在32公里長的隧道里存放數(shù)千年甚至上萬年。

由于背靠芬蘭西部的花崗巖基巖（已存在18億年），該設(shè)施的穩(wěn)定性也能得到保障。地下溫度和濕度都很低，這對(duì)于核廢料的安全儲(chǔ)存非常重要。另據(jù)悉，這個(gè)核廢料儲(chǔ)存庫的設(shè)計(jì)考慮了地震甚至是未來冰河時(shí)代的潛在影響。核廢料可在其中安全存放10萬年。預(yù)計(jì)該設(shè)施將于2024年啟用。此舉或?qū)⒊蔀槠渌麌倚Х碌哪０濉?/p>

如果一切順利，在2024年的某一天，第一個(gè)密封銅罐將被下放到距離地面大約427米的側(cè)翼隧道的一個(gè)垂直鉆孔里。這種銅罐共有將近3000個(gè)，每個(gè)銅罐長達(dá)5.2米，包含大約兩噸來自芬蘭核電行業(yè)的反應(yīng)堆乏燃料，乏燃料棒將先被裝在鑄鐵中，再裝入銅罐密封，然后運(yùn)到地下儲(chǔ)存起來。

每一個(gè)銅罐周圍放置一層膨潤土作為緩沖，防止周圍巖石振動(dòng)損壞罐體并防止水汽進(jìn)入。當(dāng)更多的銅罐被掩埋進(jìn)去直至填滿時(shí)，長達(dá)32公里的鉆孔和隧道將被塞滿黏土，最終被永久封存。

為了方便未來的人類子孫能夠看懂或者理解這個(gè)設(shè)施的危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)人員計(jì)劃在設(shè)施內(nèi)部標(biāo)上很多警示卡通畫，設(shè)施外部的警示雕塑會(huì)直觀形象地表現(xiàn)核廢料的危害性，防止未來人誤入或打開該設(shè)施。

至于這些核廢料究竟能否保存10萬年，恐怕只有時(shí)間才能給出答案。

（《環(huán)球》2017年21期）