十四萬根玻璃巨柱，會是二戰以來美國核廢料的最終囚籠嗎｜Nature 自然科研
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原文作者 / Jeff Tollefson
經過數十年的耽擱，一個具有挑戰性的清理項目正日益壯大。
一股施工熱潮在Hanford站點掀起，該站點曾經是一個在華盛頓州東南部當風的平原上的秘密建築。施工隊努力在六月前完成一個27米高的混凝土結構。如果一切順利的話，
這個設施將最終使美國能源部
（DOE）
能夠開始處理當地從第二次世界大戰期間開始累積40多年的有毒放射性廢料。
幾十年來生產核武器所產生的廢料被埋在華盛頓州的Hanford站點。
Karen Kasmauski/NGC
雖然Hanford幾十年前就停止生產核武器所需的鈈，但其活動所產生的後續影響仍然在造成麻煩。就在今年，一條停著滿載放射性物質的鐵路車廂的隧道坍塌了。另據報道，至少有十幾名拆除受污染建築物的員工在鈈吸入的檢測中顯示陽性結果。但該站點最大的挑戰在於地下那177個碳鋼罐。這些被埋藏的容器總共容納2億多升高度危險的液體和花生醬狀的污泥——足以填滿80個奧運會規格的游泳池。超過三分之一的儲罐已經泄漏，其中的放射性和化學廢料正在污染地下水。
1989年，華盛頓州和美國環境保護局達成一項法律協議，美國能源部承諾通過玻璃化過程將最危險的廢料固定於堅固的玻璃柱中。幾年後，該機構同意玻璃化其他儲罐中的廢料。總而言之，這個過程預計會產生成千上萬的玻璃柱，每個重達數噸。那些含有高濃度放射性廢料的將被運往一個永久性倉庫; 其餘的可以存放在現場。但是成本超支，延誤和安全問題不斷阻撓計劃的進行。儘管美國能源部自1997年以來在廢料罐問題上花費了大約200億美元，但仍沒有任何廢料實現玻璃化。
四年前，能源部重啟該項目。它不再只是建造一座玻璃化工廠，而是將項目分成兩部分。一座工廠——目前正在施工中——將開始玻璃化罐體內危險性較低的「低活性」液體。一旦研究人員解決了一些棘手的安全問題，一個更大，更複雜的工廠將會處理高危險性的污泥。
在兩條戰線上，都有進展的跡象。美國能源部報告說，今年已經解決了與處理高危險性廢料有關的重要問題。實時分析低危險性廢料所需的實驗室也即將完成。如果工作按計劃繼續進行的話，那麼最早在2022年，該站點就可以製成第一批玻璃柱。
玻璃化的玻璃樣品。
美國能源部/河流保護局
Hanford的批評者已習慣於美國能源部延期的作風和管理上的醜聞，因而對此表示懷疑。但即使是華盛頓州的官員
（在清理目標和截止日期等方面與美國能源部對簿公堂近三十年）
也認為這一次能夠順利進行。為華盛頓生態學部門監視廢料罐活動的Suzanne Dahl說：「我們有理由持樂觀態度。」
自20世紀50年代以來，科學家們就一直在研究玻璃化技術，一些國家已經使用這個工藝來穩定核廢料，包括法國，印度，俄羅斯和英國。在南卡羅來納州，美國能源部的Savannah River站的廢料也被玻璃化，但是Hanford問題的規模和複雜程度遠超過前者。
第二次世界大戰期間，作為「曼哈頓計劃」的一部分，Hanford工廠提供了第一次核武器試驗和1945年在日本長崎投下的原子彈所使用的鈈。後來它繼續為美國核武器庫生產大量鈈。華盛頓特區美國天主教大學的物理學家Ian Pegg說：「Hanford是核發展的全部歷史。」他和美國能源部正在合作進行玻璃化實驗。
有毒釀造
現場使用的不斷變化的技術產生了獨特的有毒釀造物，包括放射性銫、鍶、鎇和殘餘的鈈、 鹽、重金屬；以及無數的工業化學品。容器中還有一些意想不到的東西。人們「把所有可以想像到的東西都扔進那些廢料罐」，美國能源部在華盛頓Richland的玻璃科學家Albert Kruger說。他的清單上有受污染的手套、木板、岩石和捲尺。
一旦這些雜物被去除，廢料就與含有硅和硼的成分混合，然後加熱到接近1,150°C。接下來將熔融的混合物在不鏽鋼容器中冷卻，以製造大的硼硅酸鹽玻璃柱——這與能安全用於烤箱的玻璃器皿是相同的材料。
這個過程很複雜，因為每個罐子都含有化學物質和放射性核素的混合物，且這些混合物在廢料被提取出來後才能被充分表徵。其中一些物質會弱化玻璃。另一些，比如碘，則很難被立即捕獲從而必須被清除。Hanford的科學家們將不得不為每一批垃圾量身定製玻璃——有點像混合不同年份的葡萄以生產出優質白蘭地。Kruger說：「沒有人會聞其味，也沒有人會嘗其鮮，但這是一個相同的機制。」
自1989年以來，多個承包商參與了Hanford項目，其中包括英國政府名下的英國核燃料有限公司
（British Nuclear Fuels Limited）
，該公司出口了在Sellafield核廢棄綜合設施中使用的技術。價格上漲之後，美國能源部於2000年聘請了加州舊金山的建築和工程巨頭Bechtel公司作為主要承包商。
那時，Hanford工廠預計耗資43億美元，並於2007年開始製造玻璃柱。但隨著工程師們開始研究安全和技術細節，該項目的價格和複雜程度都大增。到2012年，幾名高級官員引起了人們對項目的顧慮，這些官員中包括一名前能源部員工和兩名承包商
（他們在被解僱後檢舉揭發內幕）
。一個顧慮是熱量和輻射分解水分子時產生的氫氣可能會積聚在儲罐和管道中，造成爆炸的危險。另一個是，保持重質粒子移動的混合容器不夠強大。隨著時間的推移，足夠的殘餘鈈可能沉澱出來，形成危險的鏈式反應。時任美國能源部部長的朱棣文組建了一個專家小組進行調查。最終，Bechtel公司被命令首先建造一個只能使液體廢料玻璃化的工廠。這些液體占廢料量的90％，但其放射性只佔10％，比高放射性廢料所需要的處理更少：先進行挑揀，除去高放射性的銫，然後直接送去玻璃化。田納西州范德堡大學的化學工程師David Kosson曾是朱棣文的專家小組成員之一，他說，「這是有道理的。如果你一定要開工的話，低活性廢料是一個合適的切入點。」
遺留問題
雖然高放射性的廢料處理設施依然被擱置，但能源部及其承包商花費了數年的時間，利用計算機模型和原型來研究技術問題。二月份，該機構宣布已經解決了氫氣積聚和失控反應的問題。熟悉這項工作的科學家說，一個新設計的混合容器的測試即將完成，未出現任何重大的故障。該容器配備六個「脈衝式噴射混合器」，可以像滴油管一樣將廢物排進排出，以防止固體沉澱。
研究人員也在玻璃譜上取得進展。Kruger和外部科學家已經表明，某些成分可以容納的廢物比以前估計的更多，因此可以節省成本。Kruger說，高放射性廢料處理設施生產的玻璃柱數量可能會從18000個減少到7000個。低級別的工廠可能僅需要製造7萬根左右的柱子，而不是14.5萬根。
但問題依然存在。一份美國能源部在2015年的報告記錄了500多個可能影響低級別工廠運行的漏洞 — 包括一些用於處理放射性材料的電氣和機械系統。監督團體Hanford Challenge的執行董事Tom Carpenter希望這個工廠能夠像宣傳所說的一樣工作。但他擔心美國能源部，其承包商，甚至華盛頓州都迫不及待地要啟動這個設施。他說：「每個人都迫不及待地想要展示進展。我明白這一點，但是你們不能掩蓋安全問題。」 Hanford的能源部高級官員拒絕接受採訪。Bechtel公司的一位發言人說，該公司已經調查了報告中提到的絕大多數問題，並且已經向美國能源部提交了答覆以待批准。
不是每個人都相信必須用玻璃化的方法。美國能源部因為受到法律協議和核廢物管理法規的約束才採用這個方法，但從技術角度來看，還有更好的選擇，Jim Conca說。他是一個獨立研究中心的顧問兼前主任，該中心支持位於新墨西哥州Carlsbad外的廢物隔離試點工廠
（WIPP ）
。該工廠是美國唯一運作的高放廢物地質處理庫。目前，Hanford的高放射性廢料存放在內華達州Yucca山一個長期停滯的地質處置庫等待處理。那裡的水滲透是一個問題，所以廢物必須裝在玻璃里，以確保它在數千年內保持穩定。但是Conca說罐式污泥是足夠安全的，可以在乾燥後直接送到WIPP — 如果可以改變法規使得該方案允許被實施。同樣，低活性的廢料可以混合灌漿來製造類似混凝土的材料，這種材料更加便宜，而且許多人相信和玻璃一樣安全。「為了環境安全，所有這些廢料在技術上都需要進行玻璃化嗎？可能並不是。」Kosson說。但Kosson認為美國能源部最終還是會推動這個計劃。
朱棣文依然相信玻璃化是可行的，但他表示，能源部應該接受新科學，並根據需要轉變進程。他說，更普遍的是，要解決有關如何處理所有核廢料的問題，以及在哪裡處理這些問題，美國還有很長的路要走。他說：「這是一個重大問題，要想找到一條更好的道路，必須有很多好的科學，且要始終保持開放。」
Hanford玻璃化設備的造價現在已升至168億美元。假設最新的時間表保持不變，高放射性廢料處理廠將於21世紀30年代初投入運營，並將持續數十年。與此同時，危險的廢料仍存在地下，雖眼不見，卻心不安。
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Nature|doi:10.1038/550172a
原文以 How the United States plans to trap its biggest stash of nuclear-weapons waste in glass 為標題，發布在 2017 年 10 月 10 日的《自然》新聞專刊上。
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