核廢料“10萬年封印”探秘

核廢料處理屬于世界級難題。而在芬蘭西海岸的奧爾基盧奧托島，正在建造一個用來儲存核廢料的地下倉庫。該倉庫的設計考慮了地震甚至是未來冰河時代的潛在影響，可安全存放核廢料10萬年。此舉或將成為其他國家效仿的模板。

核廢料處理屬于世界級難題

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

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備、檢測設備、運行時的水化系統、交換樹脂、廢水廢液和手套等勞保用品，對人及環境危害性較低；高放射性核廢料則主要包括核燃料在發電后產生的乏燃料及其處理物，內含有多種對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發生衰變時所需要的時間）超長的特點，典型的例如鈾-238（軍用貧鈾彈的主要材料），其半衰期長達44億5千萬年；钚-239，半衰期長達2.4萬年；锝-99，半衰期長達21萬年等。

另外，這些核廢料還有強輻射劑量的特點。雖然核廢料已無法再為核反應堆提供能量，但仍能釋放高劑量放射性粒子，人員即使穿著重型防護服也存在一定風險，只能使用專用機械進行轉移和運輸，而且費用極高。

以一座發電功率100萬千瓦的核電站為例，其一年可產生幾十噸核廢料，這些核廢料加工處理后將產生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生的大部分能量（例如大量中子）。每個硼水池足以儲存核電站10年運行所產生的高放射性核廢料。之后這些核廢料將被轉運到國家統一的放射性核廢料處置庫。

國際上對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，但由于潛在污染風險較大且受技術限制，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國，擁有8萬多噸核廢料。國內上百個核電站每年產生約2000噸核廢料，其中高放射性核廢料分布在全國39個州的131個暫存地點。

對于如此多的“燙手山芋”，美國能源部早在1983年就啟動了建造第一個永久性核廢料處置場的計劃，地點位于內華達州拉斯韋加斯西北150公里、內華達核武器試驗場附近的尤卡山。

截至2009年，美能源部已花費了約130億美元在當地建造了一條8000米長、穿越整個山區的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。

按原計劃，會由專業人員負責將運載有核廢料的鋼制容器的地下列車送入地下儲存隧道，最多可儲存10萬噸核廢料，在經過100年的運營后，將隧道永久封閉。

盡管有人質疑將該設施修建在靠近圣安德列斯斷層附近，存在較大安全隱患，但設計人員在經過勘探后，確信尤卡山處在一個地質環境相對穩定的地區，即使在靠近地表的淺層發生強震，也不會對地下幾百米深處產生影響。遺憾的是，這一工程因受到當地居民和政客強烈反對，先是于2009年推遲建設，最后于2012年被時任總統奧巴馬下令撤銷項目資助。

世界上第一座核電站由蘇聯于1954年6月建成，當時被稱為人類和平利用核能的樣板。蘇聯解體后，俄羅斯成為世界上第二大核廢料生產國。1995年，時任俄羅斯總統葉利欽啟動了一個為期10年的計劃，用于研究長期處置核廢料。

目前在位于北極圈內的俄羅斯北摩爾曼斯克州的科拉半島的安德烈夫灣內，建有三座海底核廢料儲存庫。這三座“海底核墳墓”分別于1982年和1983年開始投入使用，用于“臨時存放”2.1萬支廢棄的高放射性核燃料棒。這些“核墳墓”距離挪威邊境僅有45公里，而且均位于淺海地區，潛在安全風險較高。

蘇聯方面當時說，這些“核墳墓”只是“暫時的”，而且安全性很高。核儲存庫外的特殊混凝土墻壁“能抵御8級強震，甚至能抵御低當量的戰術核彈直接命中”。不過，一家挪威環保組織卻稱儲存庫外部的混凝土墻壁出現了大小不等的裂縫，高腐蝕性的海水正在滲入儲存庫內，侵蝕著里面的核廢料，釋放出細小的鈾粒子。而這些鈾粒子可能引發連鎖反應，或會給北歐乃至歐洲造成環境災難。

10萬年的“核封印”有待時間驗證

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

從地理環境上看，芬蘭比較適合成為建造核廢料處置設施的候選地，因為當地未發生過重大自然災害，遠離地震帶、火山、臺風區，有記錄的最大地震還是發生在1898年，僅為4.7級，都未達到破壞性地震級別（5級以上）。

此外，芬蘭還有使用核電的經驗。世界核能協會的數據顯示，芬蘭目前擁有4座核反應堆，為其國內提供了近30%的電力。“奧爾基盧奧托島核電站3項目”將成為其國內第五座核反應堆。芬蘭能源公司-工業電力公司稱，該核電站將于2018年年底開始正常發電，凈發電量將達到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，芬蘭核廢料處理領域的“業界領頭羊”波西瓦公司正在建造全球第一個地下永久性核廢料儲存庫，建造工程名為“翁卡洛”，芬蘭語意為“隱匿之地”。

這個儲存庫距離正在運行的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至“翁卡洛”內。該設施位于地下420多米，建成后將成為全球成本最高、儲存時間最長的核廢料儲存庫。

“翁卡洛”工程于2004年啟動，2005年正式動工，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和人員進出的立井。按計劃，最終的設施隧道長度將達32公里，最深處將達地下520米，一條盤旋的汽車隧道以及出入和通風井通往地下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），該設施的穩定性也能得到保障。地下溫度和濕度都很低，這對于核廢料的安全儲存非常重要。另據悉，這個核廢料儲存庫的設計考慮了地震甚至是未來冰河時代的潛在影響。核廢料可在其中安全存放10萬年。預計該設施將于2024年啟用。此舉或將成為其他國家效仿的模板。

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

每一個銅罐周圍放置一層膨潤土作為緩沖，防止周圍巖石振動損壞罐體并防止水汽進入。當更多的銅罐被掩埋進去直至填滿時，長達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設施的危險性，設計人員計劃在設施內部標上很多警示卡通畫，設施外部的警示雕塑會直觀形象地表現核廢料的危害性，防止未來人誤入或打開該設施。

至于這些核廢料究竟能否保存10萬年，恐怕只有時間才能給出答案。

（《環球》2017年21期）