美计划2020年实现“玻璃化”处理核乏料堆

2017/12/7 16:01:45

汉福德场区正在进行着一场建筑热潮，这里曾是美国华盛顿州东南部大风肆虐的一处秘密综合设施所处地点。建筑人员正忙着在明年6月完成一座高27米的混凝土建筑。如果一切进展顺利，那么这个设施最终将可让美国能源部（DOE）处理那里的放射性含毒废弃物，从二战期间开始，废弃物已在该场区堆放了40多年。

▲数十年制作核武器形成的核乏料被埋在美国华盛顿州汉福德场区
该场区停止制造用于核武器的钚数十年后，汉福德核行动的残留物仍在制造麻烦。今年，一个装满放射性物质的铁路车厢的隧道坍塌了，另外，至少有 12 名拆除员工的钚检测呈阳性。

▲坍塌的隧道
但该场区的最大挑战藏在地下的 177 个碳钢储罐中，这些埋藏的容器共装有两亿多升高危险性液体和像花生酱一样的污泥，足以填满 80 个奥林匹克游泳池。储罐中至少有 1/3 已经泄露，放射性核化学废弃物对地下水造成污染。
在 1989 年与华盛顿州和美国环保署达成的一项法律协议中，DOE 通过一个叫作“玻璃化”的过程，致力于用坚固的玻璃柱固定最危险的废弃物。若干年后，该机构同意玻璃化其他的罐装废弃物。总而言之，这一过程预计会产生重达数吨的数万个玻璃柱。那些含有高放射性废弃物的储罐将被运至永久的储存设施，其他的废弃物将仍然存放在该场区。但这一工作却被成本超支、工作延迟等困扰。尽管自1997 年以来， DOE 在废料罐问题上已花费了 200 亿美元，但仍未将核乏料玻璃化。
核乏料玻璃化
科学家从 20 世纪 50 年代就开始研究玻璃化，一些国家曾用这一过程稳定核乏料，包括法国、印度、俄罗斯、英国等。美国也在 DOE 位于南卡罗莱纳州的萨凡纳河场区玻璃化废弃物，但其规模和复杂程度都与汉福德场区的情况不同。

▲萨凡纳河国家实验室
汉福德场区是在二战期间作为曼哈顿计划的一部分设立的，用于首个核武器测试，1945 年落在日本长崎的原子弹的钚也在那里交付。此后，该场区继续为美国核军械生产大量的钚。与 DOE 合作有关玻璃化的实验的华盛顿特区美国天主教大学物理学家 Ian Pegg 表示：“汉福德场区是核事业发展的全部历史。”
4 年前，DOE 打算重新开始核乏料玻璃化进程，该机构并未建设单个玻璃化工厂，而是将工程分为两个。第一个工厂（正在建设中）将开始玻璃化储罐中风险较低的“低活性”液体；另一个规模更大、更加复杂的工厂则用来处理高污染性的淤泥，在研究人员解决一系列棘手的安全问题之后，便可以开始动工。
今年，DOE 报告称，与处理高污染性废弃物相关联的关键问题已经得到解决，需要实时分析低水平污染物的实验室也即将完工。如果能够按计划进行，该场区最早将在 2022 年制作出第一个玻璃圆柱。
而汉福德的批评人士已经习惯了最后期限和管理丑闻，对此仍持质疑态度。华盛顿州的官员已在法庭就清洁目标和最终期限争斗了近 30 年，但他们对目前在轨运行的项目抱有希望。
混合酝酿的“毒物”

▲核反应堆舱运往第94号反应堆存放点
汉福德场区使用不断变化的技术组合产生了独特酝酿的毒物，包括放射性铯、锶、镅和残留的钚以及重金属和各种化工原料。华盛顿州里士满 DOE 玻璃科学家 Albert Kruger 说，人们“会朝那些罐子里扔各种可以想象到的东西”，包括被污染的手套、木板、岩石和卷尺等。
一旦去除其中的一些碎石，玻璃化将让核乏料与包括硅、硼等物质混合在一起，然后加热至近 1150℃。随后，熔化的混合物在不锈钢罐中冷却，制造出硼硅酸盐玻璃大圆柱体——与烘箱中安全的玻璃器皿是同样的材料。
在这一过程中，因为每个罐子中盛放着各种化学物质和放射性核素的混合物，只有在废弃物被萃取之后才能够被完全识别。其中一些物质会导致玻璃弱化，而另一些物质如碘，不能封闭，只能去除，汉福德场区的科学家需要根据每批废弃物确定相应的玻璃配置。
自 1989 年以来，有很多合同商曾在汉福德项目工作，其中包括英国核燃料有限公司，这是一家由英国政府拥有的出口塞拉菲尔德核分解综合设施相关技术的一家公司。随着成本估值上涨，2000 年，DOE 雇佣建筑和工程巨头——加州旧金山贝克特尔公司作为其主要承包商。

▲汉福德工厂核废水处理现场
当时，汉福德场区预计会花费 43 亿美元，并在 2007 年开始做玻璃柱。但随着工程师开始实施安全和技术细节，该项目的成本和复杂性不断攀升。到 2012 年，一些高级官员（包括一名 DOE 原雇员和被炒鱿鱼后做出检举者投诉的两名承包商）对该项目表示担心。其中一方面是氢，热量和辐射分裂水分子时产生的氢会在容器和管道中积累，形成爆炸风险；另一方面，用来保持重粒子运动的混合容器不够强大，随着时间的推移，足够多的残余钚可能会形成危险的链式反应。
时任 DOE 部长的朱棣文召集了专家组进行调查。最终，要求Bechtel 首先建造一个仅将液体废料玻璃化的工厂。液体占核乏料总量的 90%，但只占其放射性的 10%，且其需要进行的处理比高污染性废料少：它可以被提炼从而除去高放射性的铯，然后直接被送去玻璃化。“这是合理的。”田纳西州纳什维尔范德堡大学化学工程师、朱棣文专家小组的 David Kosson 说。如果必须从一个地方开始，那么“低活性废弃物是一个不错的选择”。
挥之不去的问题
这些高放射性废弃物设施目前仍在使用，但 DOE 及其承包商已花费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，已解决与氢积聚有关的问题。熟悉这项工作的科学家说，对新设计的混合容器的测试已接近完成，显然没有任何重大故障。该容器配备了 6 个“脉冲喷射混合器”，它可以像火鸡浇油管一样把废弃物吸走和泵出，从而让固体不会沉降下来。