美计划“玻璃化”最庞大核乏料堆

几十年核武器生产形成的核废料被埋在华盛顿州的汉福德遗址。

资料来源:卡伦·卡斯莫斯基/NGC

汉福德场的建筑热潮正在进行，这里曾经是华盛顿州东南部一个秘密综合建筑的所在地，强风肆虐。建筑商正忙于在明年6月完成一座27米高的混凝土建筑。如果一切顺利，该设施最终将允许美国能源部(DOE)处置那里的放射性和有毒废物，自二战以来，这些废物已经在该地点储存了40多年。

在该工厂停止生产核武器用钚几十年后，汉福德核活动的残余仍在制造麻烦。今年，铁路车厢里装满放射性物质的隧道坍塌了。此外，至少有12名拆除受污染建筑的员工被检测出钚阳性。然而，该场地最大的挑战在于地下的177个碳钢储罐。这些埋在地下的容器含有超过2亿种危险液体和污泥，如花生酱，足以装满80个奥运游泳池。这些储存罐中至少有三分之一已经泄漏，导致放射性核化学废物污染地下水。

在1989年与华盛顿州和美国环境保护局的法律协议中，美国能源部承诺通过一个被称为玻璃化的过程，用坚固的玻璃柱来修复最危险的废物。几年后，该机构同意将其他罐装垃圾玻璃化。总的来说，该工艺预计将生产数万个重达数吨的玻璃柱。那些装有高放射性废物的储罐将被运往一个永久储存设施；其他废物仍将储存在现场。然而，这项工作受到成本超支和工作延误的困扰。尽管美国能源部自1997年以来已经在废料罐问题上花费了200亿美元，但是它还没有使核废料玻璃化。

乏核材料的玻璃化

四年前，能源部打算重启核废料的玻璃化过程。它没有建造单一的玻璃化工厂，而是将项目分成了两个部分。第一个工厂(正在建设中)将开始将储罐中风险较低的“低活性”液体玻璃化。另一个更大、更复杂的工厂用于处理高污染的污泥，在研究人员解决一些棘手的安全问题后，将开始建设。

这两个领域都有一些进展的迹象。今年，能源部报告说，它已经解决了与高污染废物处理相关的关键问题。一个需要对低水平污染物进行实时分析的实验室即将完工。如果工作能按计划进行，第一个玻璃圆筒将最早在2022年生产。

汉福德的批评者已经习惯了最后期限和管理丑闻，并且仍然持怀疑态度。近30年来，华盛顿州官员一直在法庭上为清洁目标和最后期限而斗争，但他们对目前正在运行的项目充满希望。"乐观是有理由的。"华盛顿生态管理局的苏珊娜·达尔负责监督毒气罐的活动，她说。

自20世纪50年代以来，科学家们一直在研究玻璃化。包括法国、印度、俄罗斯、英国等在内的一些国家已经利用这一过程来稳定核废料。美国将废物玻璃化在美国能源部位于南卡罗来纳州的萨凡纳河畔，但其规模和复杂性与汉福德不同。

汉福德基地是二战期间作为曼哈顿计划的一部分而建立的，在那里，钚被交付进行第一次核武器试验，原子弹于1945年投在长崎。自那以后，它继续为美国核武器生产大量钚。"汉福德核电站是整个核能发展的历史."位于华盛顿的美国天主教大学的物理学家伊恩·佩吉说，他与能源部合作进行了玻璃化实验。

混合酿造“毒药”

汉福德工厂不断变化的技术组合产生了独特的酿造毒药，包括放射性铯、锶、镅和残留钚，以及重金属和各种化学原料。油箱里还有其他物质。华盛顿里士满的能源部玻璃科学家艾伯特·克鲁格(Albert Kruger)说，人们“会看到那些罐子里仍然可以想象的各种东西”。他的清单包括被污染的手套、木板、石头和卷尺。

一旦一些碎石被移走，玻璃化将把用过的核材料与硅、硼等材料混合，然后加热到接近1150℃。随后，熔化的混合物在不锈钢罐中冷却，生产出一个大的硼硅酸盐玻璃圆筒——与烤箱中的安全玻璃器皿的材料相同。

在这个过程中，因为每个罐子里都含有各种化学物质和放射性核素的混合物，所以只有在废物被提取出来后，才能完全识别它们。这些物质中的一些会导致玻璃变弱。然而，碘等其他物质不能被包在里面，只能被去除。这有点类似于混合不同葡萄酒制成的干邑。汉福德的科学家需要根据每批废物来确定合适的玻璃配置。克鲁格说:“没人想闻它，没人想尝它。这是一种等效的机制。”

自1989年以来，许多承包商参与了汉福德项目，包括英国核燃料有限公司，这是一家由英国*拥有的公司，出口与塞拉利昂核分解设施有关的技术。随着成本估算的上升，能源部于2000年聘请建筑和工程巨头加州旧金山贝克特尔公司作为其主要承包商。

届时，汉福德工厂预计将耗资43亿美元，并将于2007年开始生产玻璃立柱。然而，随着工程师开始实施安全和技术细节，项目的成本和复杂性继续上升。到2012年，高级官员——包括一名前能源部雇员和两名承包商，他们在被解雇后向举报者投诉——表达了对该项目的担忧。一方面，当热量和辐射分裂水分子时产生的氢气会积聚在容器和管道中，从而形成爆炸危险；另一方面，用来保持重粒子运动的混合容器不够坚固。随着时间的推移，足够的残留钚可能会形成危险的连锁反应。

时任能源部部长的朱棣文召集了一个专家小组进行调查。最后，Bechtel被要求建立一个工厂，只玻璃化液体废物。液体占核废料总量的90%，但仅占其放射性的10%，并且比高污染废料需要更少的处理:它可以被提炼以去除高放射性铯，然后直接送去玻璃化。“这是合理的。”田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的化学工程师兼朱棣文专家小组成员David Kosson说。如果你必须从一个地方开始，“低活性废物是一个不错的选择。”

一个挥之不去的问题

这些高放射性废物设施仍在使用中，但能源部及其承包商已经花了数年时间研究使用计算机模型和原型的技术问题。今年2月，该机构宣布已经解决了与氢积累相关的问题。熟悉这项工作的科学家说，新设计的混合容器的测试接近完成，显然没有重大失败。该容器配有六个“脉冲喷射混合器”，可以像火鸡浇水管一样吸取和泵送废物，这样固体就不会沉淀下来。

研究人员在玻璃结构方面也取得了进展。克鲁格和外部科学家已经证明，一些组件可能包含比先前估计更多的废物，因此有可能节约成本。克鲁格表示，在高放射性废物设施中生产的玻璃柱数量可能会从18000个下降到7000个。低活性工厂可能只需要生产大约70，000个玻璃柱，而不是145，000个。

但问题仍然存在。能源部2015年的一份报告记录了500多个可能影响低辐射发电厂运行的漏洞，包括一些用于处理放射性物质的电气和机械系统。

不是每个人都相信玻璃化是一条出路。能源部受法律协议和核废料监测的约束来推进这一进程，但从技术角度来看，它有一个更好的选择。吉姆·康卡是一个独立研究中心的顾问和前主任，他说该中心支持新墨西哥州卡尔斯巴德郊外的废物隔离测试厂，这是美国唯一的深层地质储存库。

汉福德的高放射性废物目前计划在尤卡山进行处置，这是内华达州的一个长期地质储存库。渗水是一个问题，所以废物必须用玻璃包裹，以确保其几千年的稳定性。但是康卡说罐装污泥足够安全，可以直接干燥到WIPP——如果规章制度可以改变允许这种操作的话。类似地，低活性放射性物质可以与泥浆混合来生产类似混凝土的材料，许多人认为这种材料更便宜也更安全。

楚仍然相信玻璃化可以工作，但是他说能源部应该接受新的科学并根据需要改变方向。他说，更一般地说，在解决如何以及在哪里处理核废料的问题上，中国还有很长的路要走。“这是一个重大问题。为了找到更好的方法，我们必须进行大量的好的科学研究。”他说，“永远保持开放的心态。”

汉福德玻璃化设备的成本现在是168亿美元。假设最新的时间表不会改变，高水平的核废料处理厂将能够在20世纪30年代早期开放，其运行将持续几十年。与此同时，危险的核废料将被留在地下，虽然看不见，但令人担忧。(晋南)

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