《自然》：核废料岂能一“埋”了之

含有美国核防御计划废料污染物的滚筒储存在新墨西哥州废物隔离试验工厂(WIPP)。

来源:吉姆·韦斯特

新墨西哥州东南部城市卡尔斯巴德附近600多米深的地下是世界上唯一接受超铀元素——比铀重的放射性元素——核废料的深层地质储存库。核废料储存设施被称为废料隔离试验工厂，由美国能源部管理，用于处理实验设备、衣物和国家核防御计划的残留物。在过去的15年里，这里储存了大约91，000立方米的超铀废物(相当于13米的废物堆积在一个足球场上)，其中大多数具有低辐射水平。

绝大多数废物是长寿命钚的同位素(主要是钚-239，半衰期为24，100年；钚-240的半衰期为6560年)，镅和锔的半衰期较短。在一个挖掘于2.5亿年前形成的古老岩层上的空间里，这些废物被储存在成千上万个覆盖着塑料的钢桶里。该储存库的储存能力已达到原计划的一半，预计将于2033年关闭。

但是新的需求也正在出现。2000年，与俄罗斯签署的核武器控制协议迫使美国处置拆除核武器后生产的34吨钚。为此，最近斯坦福大学国际安全与合作中心的博士后研究员卡梅伦·特雷西、该校地质科学系的研究生卡梅伦·特雷西和该校国际安全与合作中心的核安全教授罗德尼·尤因在《自然》杂志上发表了一篇论文，建议必须重新评估核废料贮存库的安全风险。

出了事故

目前，能源部负责WIPP的安全评估，以确保其不超过国家环境保护局(EPA)设定的放射性物质暴露的10，000年限制。根据美俄核武器协议的条款，美国计划将核材料转化为燃料，混合铀和氧化钚，用于商业核电站。然而，由于南卡罗来纳州萨凡纳河上混合氧化物加工设施的建设成本增加，能源部委托一个专家委员会重新考虑评估计划。

2015年8月发布的一份最新报告建议将这些核武器中的钚埋在WIPP中。考虑到核废料处置库的“成功性能”，能源部的红色专家小组建议，用于核武器的34吨钚的放射性浓度可以在稀释到WIPP超铀废料水平后储存在废料处置库中。

事实上，WIPP的安全记录也非常复杂。2014年2月14日，一个核废料桶的爆炸向地表释放了少量钚和镅(放射性约为100毫欧)。空气中的放射性物质通过排气系统到达地球表面，并扩散到距离仓库排气孔900米的地方。21名工人受到低水平放射性物质的照射，最高照射水平相当于胸部x光检查期间的辐射水平。九天前，燃烧的卡车冒出的烟雾淹没了地下工作系统，对机械、电气和通风系统造成了损害。

能源部表示，类似事件不足以减少核废料储存库的长期影响。如果吸取了教训，它的安全还是有保证的。人们并不担心事故的安全，但事故本身是意料之外的。这些事件表明，很难预测数千万年来安全措施的潜在问题。例如，储存库的地质和化学评估或钻探可能会低估所涉及的风险。

在扩大WIPP的钚库存之前，能源部必须更加谨慎地评估和谨慎地监控其未来10，000年或更长时间的安全性。

自满文化

2014年WIPP放射性物质泄漏是由废桶中的化学反应产生的热量造成的。当时，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANI)的钚钝化废物——放射性硝酸钚——与一种有机物质发生反应，这是一种由小麦制成的商用猫砂，用于吸收液体废物。化学反应产生的热量导致盖子裂开。尽管传感器检测到了放射性物质和通过过滤器释放的废气，但一些放射性物质仍在泄漏。WIPP操作人员密封了过滤系统和发生泄漏的储存室中的泄漏，损坏的废料桶仍储存在废料库中。

能源部对事故的分析记录了WIPP缺乏“安全概念”。自该设施成功运营15年以来，相关人员变得自满。然而，事实上，相关短板仍然广泛存在，如安全评估、桶内废料管理、设备安装和维护、事故应急措施等。

从系统分析的角度来看，废桶事故是一种“常规”事故，即由于人员的误操作而造成的一系列错误和损害，使情况变得更糟，包括操作人员未能遵守安全规定。然而，WIPP事故也有积极的一面。这是一个吸取教训的机会。能源部严格调查了事故原因，并采取了正确的行动。废料桶不再含有不相容的化学物质。

然而，一旦废弃材料仓库关闭，其内容物就不能再被监控，或者其中的问题可以被纠正。考虑到时间因素，很难确保该地区的居民知道WIPP未来的位置。

长期安全

WIPP目前的安全评估主要涉及两个方面:一是不干涉；第二是人类入侵。

前者预测，在核废料储存库关闭后，该处的盐层可能会变形并围绕废桶流动，从而包围核废料。相关模型假设，如果没有液体，如盐水，储层的位置在地质学上仍然是相对孤立的。人类入侵可能会向环境中释放放射性物质。例如，盐层通常与矿藏和石油、天然气等能源资源有关，因为在未来10，000年里，人们是否会在地下钻孔是非常重要的。

在预测未来钻孔的可能性时，环境保护局使用该地区100年历史的平均比例进行了预测，并认为在未来10，000年的监管期内，每平方公里将钻67.3个孔。近年来，WIPP附近的钻孔数量迅速增加。由于水平钻孔和水力压裂技术使人们能够从含烃岩层中获取能量，帕米拉盆地已成为美国石油产量最丰富的地区。在过去的10年里，每平方公里的平均钻孔数量已经达到148个，这使得人类入侵核废料储存库的风险增加了一倍多。

红队专家组的报告建议，核武器中的钚在储存在“惰性掺杂剂”(通常由水泥、凝胶、增稠剂和发泡剂的混合物组成)中之前应该稀释。该报告没有阐明“惰性”的含义，但惰性物质非常罕见，尤其是那些需要保持几千年不变的化学物质。

钚反应

关于含有钚的固体材料，证明它们的化学惰性是一个巨大的挑战。在近地表情况下，钚可以以四种氧化态存在，每种氧化态都有不同的固体和地球化学行为。其衰变产物铀-235主要以两种氧化态存在，U4+和U6+，每种氧化态都有不同的地质和化学活性。这种复杂性使得科学家很难预测这些锕系元素将如何反应或者它们将如何被运输。

此外，锕系元素的衰变主要是由于α粒子(高能氢核)的散射。在每次衰变过程中，子核反弹并取代周围固体中的数千个原子。随着时间的推移，这些能量损失逐渐积累，从而改变了这些物质的性质和化学稳定性。尽管含锕系元素物质的辐射效应在过去的20年中已经得到了很好的研究，但是这些内容并没有包括在红队专家组的评估报告中。

正因为如此，在WIPP中掩埋由核武器中钚的“稀释和处置”形成的氧化钚的提议很快引发了一场安全辩论。额外的钚几乎是现有储存钚的三倍(约12吨)，WIPP储存库的设计没有考虑到如此大规模的处理能力。WIPP储量可能会增加15%，增加未来钻井通过核废料储存库的可能性。

此外，这些锕系元素存量的变化需要对相关物质(包括盐水和二氧化碳)之间的可能反应进行新的评估。钚在盐水中的活性取决于其溶解度，而溶解度又取决于其形式和与氧化镁反应后的二氧化碳含量。

未来管理

与24100年的钚239半衰期相比，目前的10000年期仍然相对较短，更不用说半衰期为7亿年的铀235了。为了容纳过量的钚，目前的控制期可能需要延长，这意味着在此期间人类入侵的风险将再次增加。

这些问题导致了2015年的两次审计，导致了来自红队专家组和佐治亚州格林斯博罗高桥的两份报告。然而，相关的分析没有考虑未来人类入侵的可能性。

WIPP正在完成一项重要的国家需求——在国家核防御计划中处理超铀废物。它始于20年的科学研究、工程设计和公众参与。尽管以前发生过一些事故，WIPP仍然能够完成它的使命。然而，钚储备的大量增加和对失败的安全评估，特别是人类入侵的可能性，证明这一政策决定忽视了基本的科学因素。

红队专家组的报告显示了在考虑或管理内在风险方面的缺陷。专家认为，报告中关于处理WIPP中储存的钚的建议短板反映了2014年事故中的人为错误。在能源部考虑实施这些建议之前，它应首先审查并参考过去15年中的存储操作，并在未来10，000年的时间尺度上重新评估设施的安全性。

(李冯公主)

中国科学新闻(2016-028第三版国际版)

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