美計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)“玻璃化”處理核乏料堆

2017-12-04 12:32:12 科學(xué)網(wǎng) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

漢福德場(chǎng)區(qū)正在進(jìn)行著一場(chǎng)建筑熱潮，這里曾是美國(guó)華盛頓州東南部大風(fēng)肆虐的一處秘密綜合設(shè)施所處地點(diǎn)。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(jìn)展順利，那么這個(gè)設(shè)施最終將可讓美國(guó)能源部

▲數(shù)十年制作核武器形成的核乏料被埋在美國(guó)華盛頓州漢福德場(chǎng)區(qū)

該場(chǎng)區(qū)停止制造用于核武器的钚數(shù)十年后，漢福德核行動(dòng)的殘留物仍在制造麻煩。今年，一個(gè)裝滿放射性物質(zhì)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(cè)呈陽性。

▲坍塌的隧道

但該場(chǎng)區(qū)的最大挑戰(zhàn)藏在地下的 177 個(gè)碳鋼儲(chǔ)罐中，這些埋藏的容器共裝有兩億多升高危險(xiǎn)性液體和像花生醬一樣的污泥，足以填滿 80 個(gè)奧林匹克游泳池。儲(chǔ)罐中至少有 1/3 已經(jīng)泄露，放射性核化學(xué)廢棄物對(duì)地下水造成污染。

在 1989 年與華盛頓州和美國(guó)環(huán)保署達(dá)成的一項(xiàng)法律協(xié)議中，DOE 通過一個(gè)叫作“玻璃化”的過程，致力于用堅(jiān)固的玻璃柱固定最危險(xiǎn)的廢棄物。若干年后，該機(jī)構(gòu)同意玻璃化其他的罐裝廢棄物。總而言之，這一過程預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生重達(dá)數(shù)噸的數(shù)萬個(gè)玻璃柱。那些含有高放射性廢棄物的儲(chǔ)罐將被運(yùn)至永久的儲(chǔ)存設(shè)施，其他的廢棄物將仍然存放在該場(chǎng)區(qū)。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(fèi)了 200 億美元，但仍未將核乏料玻璃化。

核乏料玻璃化

科學(xué)家從 20 世紀(jì) 50 年代就開始研究玻璃化，一些國(guó)家曾用這一過程穩(wěn)定核乏料，包括法國(guó)、印度、俄羅斯、英國(guó)等。美國(guó)也在 DOE 位于南卡羅萊納州的薩凡納河場(chǎng)區(qū)玻璃化廢棄物，但其規(guī)模和復(fù)雜程度都與漢福德場(chǎng)區(qū)的情況不同。

▲薩凡納河國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

漢福德場(chǎng)區(qū)是在二戰(zhàn)期間作為曼哈頓計(jì)劃的一部分設(shè)立的，用于首個(gè)核武器測(cè)試，1945 年落在日本長(zhǎng)崎的原子彈的钚也在那里交付。此后，該場(chǎng)區(qū)繼續(xù)為美國(guó)核軍械生產(chǎn)大量的钚。與 DOE 合作有關(guān)玻璃化的實(shí)驗(yàn)的華盛頓特區(qū)美國(guó)天主教大學(xué)物理學(xué)家 Ian Pegg 表示：“漢福德場(chǎng)區(qū)是核事業(yè)發(fā)展的全部歷史。”

4 年前，DOE 打算重新開始核乏料玻璃化進(jìn)程，該機(jī)構(gòu)并未建設(shè)單個(gè)玻璃化工廠，而是將工程分為兩個(gè)。第一個(gè)工廠(正在建設(shè)中)將開始玻璃化儲(chǔ)罐中風(fēng)險(xiǎn)較低的“低活性”液體;另一個(gè)規(guī)模更大、更加復(fù)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(dòng)工。

今年，DOE 報(bào)告稱，與處理高污染性廢棄物相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵問題已經(jīng)得到解決，需要實(shí)時(shí)分析低水平污染物的實(shí)驗(yàn)室也即將完工。如果能夠按計(jì)劃進(jìn)行，該場(chǎng)區(qū)最早將在 2022 年制作出第一個(gè)玻璃圓柱。

而漢福德的批評(píng)人士已經(jīng)習(xí)慣了最后期限和管理丑聞，對(duì)此仍持質(zhì)疑態(tài)度。華盛頓州的官員已在法庭就清潔目標(biāo)和最終期限爭(zhēng)斗了近 30 年，但他們對(duì)目前在軌運(yùn)行的項(xiàng)目抱有希望。

混合醞釀的“毒物”

▲核反應(yīng)堆艙運(yùn)往第94號(hào)反應(yīng)堆存放點(diǎn)

漢福德場(chǎng)區(qū)使用不斷變化的技術(shù)組合產(chǎn)生了獨(dú)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(xué)家 Albert Kruger 說，人們“會(huì)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(zhì)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?yàn)槊總€(gè)罐子中盛放著各種化學(xué)物質(zhì)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(shí)別。其中一些物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致玻璃弱化，而另一些物質(zhì)如碘，不能封閉，只能去除，漢福德場(chǎng)區(qū)的科學(xué)家需要根據(jù)每批廢棄物確定相應(yīng)的玻璃配置。

自 1989 年以來，有很多合同商曾在漢福德項(xiàng)目工作，其中包括英國(guó)核燃料有限公司，這是一家由英國(guó)政府擁有的出口塞拉菲爾德核分解綜合設(shè)施相關(guān)技術(shù)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(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)時(shí)，漢福德場(chǎng)區(qū)預(yù)計(jì)會(huì)花費(fèi) 43 億美元，并在 2007 年開始做玻璃柱。但隨著工程師開始實(shí)施安全和技術(shù)細(xì)節(jié)，該項(xiàng)目的成本和復(fù)雜性不斷攀升。到 2012 年，一些高級(jí)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(duì)該項(xiàng)目表示擔(dān)心。其中一方面是氫，熱量和輻射分裂水分子時(shí)產(chǎn)生的氫會(huì)在容器和管道中積累，形成爆炸風(fēng)險(xiǎn);另一方面，用來保持重粒子運(yùn)動(dòng)的混合容器不夠強(qiáng)大，隨著時(shí)間的推移，足夠多的殘余钚可能會(huì)形成危險(xiǎn)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

時(shí)任 DOE 部長(zhǎng)的朱棣文召集了專家組進(jìn)行調(diào)查。最終，要求Bechtel 首先建造一個(gè)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(jìn)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(xué)化學(xué)工程師、朱棣文專家小組的 David Kosson 說。如果必須從一個(gè)地方開始，那么“低活性廢棄物是一個(gè)不錯(cuò)的選擇”。

揮之不去的問題

這些高放射性廢棄物設(shè)施目前仍在使用，但 DOE 及其承包商已花費(fèi)數(shù)年時(shí)間研究使用計(jì)算機(jī)模型和原型的技術(shù)問題。今年 2 月，該機(jī)構(gòu)宣布，已解決與氫積聚有關(guān)的問題。熟悉這項(xiàng)工作的科學(xué)家說，對(duì)新設(shè)計(jì)的混合容器的測(cè)試已接近完成，顯然沒有任何重大故障。該容器配備了 6 個(gè)“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(huì)沉降下來。

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