冷戰(zhàn)核廢物清理工作任重道遠

之 涵/編譯

冷戰(zhàn)核廢物清理工作任重道遠

之 涵/編譯

2017年1月的漢福德廢物處理廠航拍圖。這個工廠將于2023年投入使用，其設計目的是將儲存于177個地下儲罐的液態(tài)放射性廢物轉(zhuǎn)化為一種可用于長期安全處置的玻璃材料

● 盡管花費了數(shù)十億美元處置和穩(wěn)定液態(tài)放射性廢物，但清理位于華盛頓州漢福德的前核生產(chǎn)基地儲罐的泄漏仍將需要幾十年的時間。

25年前，美國停止生產(chǎn)核武器并開始清理龐大的冷戰(zhàn)武器設施。如今，美國能源部（以下簡稱能源部）的這些舉措已經(jīng)取得了顯著成效。例如，位于科羅拉多州的洛基弗拉茨廠已恢復成為野生動物保護區(qū)。那里曾經(jīng)制造出數(shù)萬枚核武器用钚核。但是，穩(wěn)定和安全處置在生產(chǎn)钚的過程中產(chǎn)生的數(shù)千萬加侖高放射性和有毒性廢液仍然是一個遙遠的目標。

盡管能源部的兩個廢液設施的一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的固體，但擁有最大設施的華盛頓州漢福德基地仍然必須處理177個地下儲罐貯存的2.12億升廢液，其中一些距離哥倫比亞河約16公里。一些廢物可以追溯至20世紀50年代，至少有62個儲罐的大約380萬升液體因泄漏滲入土壤。

據(jù)美國政府責任署 （GAO）稱，自20世紀90年代初漢福德開展清理工作以來，能源部已經(jīng)為一些廢物處置措施花費了190億美元。對所有廢物進行加工和處置的目標日期現(xiàn)在設定為2047年，方法是將所有廢物倒入強固金屬罐中并將其轉(zhuǎn)化成玻璃狀態(tài)；此時距離在長崎投放“胖子”原子彈已經(jīng)一個多世紀。但即便是這個時間也并非最終時間，因為能源部還未對一半以上的廢物如何處置做出明確規(guī)定。

自2002年起，漢福德就開始建造廢物處理廠（WTP），旨在將廢物轉(zhuǎn)化為玻璃制品——這一工藝被稱為“玻璃化”。根據(jù)最初的計劃，該廢物處理廠將被用作試點工廠，用于處理10%的廢物，估計耗資43億美元。后來，能源部決定擴建該項目，使其成為一個功能完備的設施，而僅僅處理部分廢物的成本現(xiàn)在已經(jīng)暴漲至將近170億美元。

在漢福德廢物處理廠，儲罐內(nèi)的廢物要進行分離，約10%儲罐容量中超過90%以上的放射性進入高放廢物（HLW）流，其余則是低放廢物(LAW)。預處理裝置能夠去除可溶解的裂變產(chǎn)物，并將其返回至儲罐中作為高放廢物處置。每一道廢物流都與硼硅酸鹽材料混合，形成熔融玻璃，然后倒入不銹鋼罐中。高放廢物將貯存于現(xiàn)場的一個地下儲藏室中，最終在尚未建成的核廢物庫中進行處置。低放廢物的強固金屬罐將永久儲存在漢福德。

根據(jù)2016年修訂的2012年法院命令，能源部必須在2023年之前開始將低放廢物轉(zhuǎn)化成玻璃。但該命令未要求在2036年之前將高放廢物轉(zhuǎn)化為玻璃。

為了應對2023年這一最后期限的壓力，能源部2015年決定建造另一座廢物處理廠，該工廠將繞過用于處置7 600萬升低放廢物的預處理設備，過濾掉固體和銫-137，并將經(jīng)處理的材料提供給玻璃化工廠。這一項目定于2021年竣工。目前的廢物處理廠建設成本約為168億美元，包括新建設施、低放廢物玻璃化工廠以及迄今為止在預處理和高放廢物玻璃化工廠中所做工作的費用。該成本不包括預處理和高放廢物設施的完成費用，而且能源部沒有提供整個廢物處理廠的預估成本。

不同的處置方法

漢福德清理工作停滯不前的同時，能源部冷戰(zhàn)時期的另一個主要钚生產(chǎn)設施——薩凡納河基地（SRS）——自1996年起開始對高放廢物進行玻璃化處置。在這座位于南卡羅來納州的龐大建筑中，有1.4億升廢物存放于51個儲罐中。該基地的公民監(jiān)督組織SRS觀察負責人湯姆·克萊門斯(Tom Clements)指出，SRS的放射性物質(zhì)比漢福德的放射性物質(zhì)總量要多。但是SRS已經(jīng)通過國防廢物處理設施對高放廢物進行了玻璃化處置，用它們裝滿了大約4 000個高2米、直徑為61厘米的不銹鋼罐。美國能源部同意在2028年之前完成這項工作。

這個位于南卡羅來納州的基地一直在對廢物進行預處理，以便將銫和超鈾元素分離，然后將這些廢物與高放廢物一起進行玻璃化處理。但是，它并沒有將低放廢物進行玻璃化處理，而是將其與水泥、灰渣和爐渣混合在一起，形成一種名為“鹽石”的灌漿。大約有1 500萬升鹽石灌入地上的圓柱狀儲藏室內(nèi)進行固化。最新的儲藏室的容量將達1.13億升，是現(xiàn)有的5個儲罐的10倍。

在南卡羅來納州，已經(jīng)建成一個新的鹽石廢物處理設施，以加速銫和超鈾元素的去除過程，而此前這一過程一直在減緩鹽石的生產(chǎn)速度。新設施將于2018年正式投入使用。

薩凡納河基地的國防廢物處理設施已經(jīng)裝滿了大約4 000個這樣的不銹鋼罐，這些儲罐中裝有固化的來自地下儲罐的高放廢物，適合用于永久儲存

一些專家和能源部將漢福德處置工作的延遲歸咎于其儲罐內(nèi)物質(zhì)的復雜性和混雜性，其中一些物質(zhì)的特征仍然沒有得到充分描述。薩凡納河基地自始至終都只使用一種化學工藝。但美國能源和環(huán)境研究中心 （設立于馬里蘭州塔科馬公園的智庫）負責人阿爾瓊·梅基耶尼（Arjun Makhijani）介紹說，在漢福德的生產(chǎn)壽命周期，采用了幾種不同的化學工藝來分離钚。在漢福德，“廢物在儲罐之間轉(zhuǎn)移，而不同化學性質(zhì)和濃度的廢物開始混合并發(fā)生反應，”梅基耶尼解釋道，“這樣最終會帶來一系列問題：廢物的濃度有的像水泥，有的像花生醬，還有的呈液態(tài)。

根據(jù)美國政府責任署大衛(wèi)·特林布（David Trimble）的說法，這件事還遠不止這么簡單。政府責任署在一年前召集的一個專家小組指出，僅僅是廢物的復雜性并不能解釋這一狀況。他說，在其他再處理工廠，包括英國的塞拉菲爾德工廠，也有類似的混雜廢物完成了玻璃固化。漢福德的一位發(fā)言人不同意這種說法，他說漢福德的廢物比塞拉菲爾德復雜得多。

特林布說，目前漢福德采用的方法是基于美國政府責任署與華盛頓州協(xié)商的清理協(xié)議。該州聲稱：玻璃化將永久固化這些廢物，因此，堅持要求能源部對低放廢物和高放廢物進行玻璃化。南卡羅來納州希望在儲罐泄漏到地下水之前完成這項工作，并選擇接受灌漿的方法作為低放廢物的處置方案。

在20世紀90年代，能源部采取了一種辦法——由承包商承擔建造玻璃化工廠的費用，以固定價格向該機構(gòu)收取每個不銹鋼罐的費用。但是，由于這些廢物具有復雜性和不確定性，能源部放棄了這種方法。相反，能源部指示現(xiàn)任承包商柏克德公司（Bechtel National），在設計完成并且所有系統(tǒng)完全合格之前就著手建造設施齊全的工廠。特林布表示，承包商“一直在系統(tǒng)之上建立系統(tǒng)，當意識到最上游的系統(tǒng)存在缺陷時，又不得不返工?！币虼?，必須進行大量返工。但柏克德發(fā)言人弗雷德·德蘇薩（Fred deSousa）稱：無需這樣做。

能源部拒絕接受本文的正式采訪。在書面答復中，環(huán)境管理辦公室的一位發(fā)言人表示，由于一些技術問題尚未解決，能源部在2012年停止了廢物處理廠的預處理和高放廢物玻璃化工廠的建設工作。從那時起，環(huán)境管理辦公室就一直致力于在2022年之前將低放廢物玻璃化。

根據(jù)政府責任署5月發(fā)布的報告，確保廢物預處理過程的安全操作一直是漢福德面臨的主要技術挑戰(zhàn)。美國國防核設施安全委員會2010年警告說，一個混合容器可能會因廢氫燃料集聚而爆炸。該機構(gòu)負責對美國能源部的核設施進行安全檢查。該委員會進一步警告說，钚粒子可能會在這些容器中沉淀，并引發(fā)連鎖反應。更復雜的是，這些容器被建造成“黑箱”——在操作前就已密封，所以在工廠的整個生命周期內(nèi)都無法進行維護和維修。

2017年1月，能源部對安全委員會表示，在解決安全問題方面已經(jīng)取得了長足進展，足以恢復2012年暫停的一些設計活動。在給《今日物理》的書面答復中，能源部表示：8個預處理問題已經(jīng)解決了3個，第4個問題很快也會得到解決，其他問題取得了“重大進展”。

能源部表示，能夠提供符合核質(zhì)量控制標準的部件和設備的美國公司數(shù)量不斷減少，這也是處置工作滯后的原因之一；另一個原因則是在21世紀初重新調(diào)整了廢物處理廠的設計，以便使變更后的設計符合抗震標準。

2014年，一個由37名專家組成的審查小組在低放廢物玻璃化設施中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個重大設計漏洞。在一份泄露的能源部報告中，詳細列出了他們發(fā)現(xiàn)的幾十個需高度關注的安全漏洞，這意味著其成本影響達到5 000萬至1億美元，而且可能導致計劃延遲6至12個月。該小組稱，如果不采取措施，其中的一些漏洞可能會繼續(xù)影響人員安全和健康以及二次廢物處理的操作和維護。柏克德對審查小組的很多發(fā)現(xiàn)提出了質(zhì)疑。德蘇薩表示，362個漏洞中有338個已經(jīng)得到解決。美國能源部基地辦公室最終發(fā)布了1份報告，其中包含10條建議，涵蓋通風、維護、防火安全、控制系統(tǒng)軟件和其他問題。該報告得出結(jié)論稱，所有的問題都在可控制范圍之內(nèi)。

但政府責任署建議能源部暫停工作?！拔覀円呀?jīng)說過好幾次，漢福德采用的設計-架構(gòu)方法有問題，而能源部必須對最近的項目管理進行改革，以確保在未完全了解設計的情況下不會灌注更多的凝固物或弄彎更多的鋼鐵?！碧亓植颊f道。

監(jiān)督組織漢福德的執(zhí)行理事湯姆·卡彭特（Tom Carpenter）聲稱，漢福德廢物處理廠這一項目的缺陷極為嚴重，應該被廢棄并推倒重來。他說，即使完工，該工廠也不太可能通過能源部相關機構(gòu)的許可審查，因為它在建設過程中未遵守核質(zhì)量保證和質(zhì)量控制協(xié)議。他提到了一項《反欺騙政府法》訴訟，指控柏克德及其分包商AECOM為能源部開列的材料、服務和測試未達到質(zhì)量標準。該訴訟還指稱，柏克德非法利用聯(lián)邦基金，游說議員支持繼續(xù)為廢物處理廠提供資金。柏克德和AECOM去年同意向聯(lián)邦政府支付1.25億美元，以解決訴訟提到的問題。但他們確認自己沒有任何不當行為，這些公司仍在繼續(xù)管理這個項目。

如果廢物處理廠的問題得到解決，該設施也只能處理漢福德40%的低放廢物。在給《今日物理》的回復中，能源部坦率承認：還沒有決定如何處置余下的部分。根據(jù)5月份的一份報告，由美國科學院、工程院和醫(yī)學院所召集的21名專家表示，灌漿將是處置低放廢物的有效方法。該小組成員說，最近的研究表明，灌漿將比玻璃化更好地將廢物固定。

但華盛頓州的官員仍然堅持要將所有廢物玻璃化，這樣做將會付出巨大的代價。據(jù)政府責任署統(tǒng)計，薩凡納河基地的灌漿費用大約為每升40美元；而在漢福德，對大量低放廢物進行玻璃化的費用約為每升290美元。

實驗室廢物及其處置方法

能源部的第3個基地——美國愛達荷國家實驗室正在處置含鈉高放廢物，這些高放廢物主要是對船用反應堆使用的乏燃料進行再處理產(chǎn)生的。在進行這些操作的同時，實驗室采用一種被稱為煅燒的工藝把廢物變成粉末。但是，由于20世紀90年代的排放規(guī)定，煅燒被叫停，大約有340萬升廢液仍未來得及處理。

愛達荷實驗室已經(jīng)建成一個廢物處理裝置，有報道稱其耗資10億美元。該裝置可將剩余的廢液轉(zhuǎn)化成顆粒狀固體，適合用強固金屬罐貯存。該設施原本計劃于2012年投入使用，但第2個啟用目標日期（2016年秋天）也未能實現(xiàn)。美國能源部沒有承諾新的日期，但表示一旦解決了技術問題，將立即開始處理廢物。

愛達荷州的煅燒廢物可溶于水，也不符合相關的法律要求——如果要建造一個核廢物庫，就必須能夠在核廢物庫內(nèi)對高放廢物進行玻璃化處理。能源部過去曾說過，它能夠?qū)㈧褵龔U物轉(zhuǎn)化成類似陶瓷的固體。但在其書面答復中，能源部僅表示，計劃2035年之前在愛達荷州之外的地方對所有高放廢物進行處置，其中包括煅燒廢物。貝特麗斯·布雷斯福德（Beatrice Brailsford）是監(jiān)測愛達荷實驗室的公民組織蛇河聯(lián)盟的核項目負責人，她擔心該機構(gòu)將會無限期地將粉末廢物留在強固金屬罐內(nèi)。

[資料來源：Physics Today][責任編輯：岳 峰]