十四万根玻璃巨柱，会是二战以来美国核废料的最终囚笼吗？
原文以How the United States plans to trap its biggest stash of nuclear-weapons waste in glass为标题
发布在2017年10月10日的《自然》新闻专刊上
原文作者：Jeff Tollefson
经过数十年的耽搁，一个具有挑战性的清理项目正日益壮大。
一股施工热潮在Hanford站点掀起，该站点曾经是一个在华盛顿州东南部当风的平原上的秘密建筑。施工队努力在六月前完成一个27米高的混凝土结构。如果一切顺利的话，这个设施将最终使美国能源部（DOE）能够开始处理当地从第二次世界大战期间开始累积40多年的有毒放射性废料。
几十年来生产核武器所产生的废料被埋在华盛顿州的Hanford站点。
Karen Kasmauski/NGC
虽然Hanford几十年前就停止生产核武器所需的钚，但其活动所产生的后续影响仍然在造成麻烦。就在今年，一条停着满载放射性物质的铁路车厢的隧道坍塌了。另据报道，至少有十几名拆除受污染建筑物的员工在钚吸入的检测中显示阳性结果。但该站点最大的挑战在于地下那177个碳钢罐。这些被埋藏的容器总共容纳2亿多升高度危险的液体和花生酱状的污泥——足以填满80个奥运会规格的游泳池。超过三分之一的储罐已经泄漏，其中的放射性和化学废料正在污染地下水。
1989年，华盛顿州和美国环境保护局达成一项法律协议，美国能源部承诺通过玻璃化过程将最危险的废料固定于坚固的玻璃柱中。几年后，该机构同意玻璃化其他储罐中的废料。总而言之，这个过程预计 45 33069 45 14940 0 0 1308 0 0:00:25 0:00:11 0:00:14 3293 45 33069 45 14940 0 0 1160 0 0:00:28 0:00:12 0:00:16 2992 45 33069 45 14940 0 0 1067 0 0:00:30 0:00:13 0:00:17 2729 45 33069 45 14940 0 0 1057 0 0:00:31 0:00:14 0:00:17 3243产生成千上万的玻璃柱，每个重达数吨。那些含有高浓度放射性废料的将被运往一个永久性仓库; 其余的可以存放在现场。但是成本超支，延误和安全问题不断阻挠计划的进行。尽管美国能源部自1997年以来在废料罐问题上花费了大约200亿美元，但仍没有任何废料实现玻璃化。
四年前，能源部重启该项目。它不再只是建造一座玻璃化工厂，而是将项目分成两部分。一座工厂——目前正在施工中——将开始玻璃化罐体内危险性较低的“低活性”液体。一旦研究人员解决了一些棘手的安全问题，一个更大，更复杂的工厂将会处理高危险性的污泥。
在两条战线上，都有进展的迹象。美国能源部报告说，今年已经解决了与处理高危险性废料有关的重要问题。实时分析低危险性废料所需的实验室也即将完成。如果工作按计划继续进行的话，那么最早在2022年，该站点就可以制成第一批玻璃柱。
玻璃化的玻璃样品。
美国能源部/河流保护局
Hanford的批评者已习惯于美国能源部延期的作风和管理上的丑闻，因而对此表示怀疑。但即使是华盛顿州的官员（在清理目标和截止日期等方面与美国能源部对簿公堂近三十年）也认为这一次能够顺利进行。为华盛顿生态学部门监视废料罐活动的Suzanne Dahl说：“我们有理由持乐观态度。”
自20世纪50年代以来，科学家们就一直在研究玻璃化技术，一些国家已经使用这个工艺来稳定核废料，包括法国，印度，俄罗斯和英国。在南卡罗来纳州，美国能源部的Savannah River站的废料也被玻璃化，但是Hanford问题的规模和复杂程度远超过前者。
第二次世界大战期间，作为“曼哈顿计划”的一部分，Hanford工厂提供了第一次核武器试验和1945年在日本长崎投下的原子弹所使用的钚。后来它继续为美国核武器库生产大量钚。华盛顿特区美国天主教大学的物理学家Ian Pegg说：“Hanford是核发展的全部历史。”他和美国能源部正在合作进行玻璃化实验。
有毒酿造
现场使用的不断变化的技术产生了独特的有毒酿造物，包括放射性铯、锶、镅和残余的钚、 盐、重金属；以及无数的工业化学品。容器中还有一些意想不到的东西。人们“把所有可以想象到的东西都扔进那些废料罐”，美国能源部在华盛顿Richland的玻璃科学家Albert Kruger说。他的清单上有受污染的手套、木板、岩石和卷尺。
一旦这些杂物被去除，废料就与含有硅和硼的成分混合，然后加热到接近1,150°C。接下来将熔融的混合物在不锈钢容器中冷却，以制造大的硼硅酸盐玻璃柱——这与能安全用于烤箱的玻璃器皿是相同的材料。
这个过程很复杂，因为每个罐子都含有化学物质和放射性核素的混合物，且这些混合物在废料被提取出来后才能被充分表征。其中一些物质会弱化玻璃。另一些，比如碘，则很难被立即捕获从而必须被清除。Hanford的科学家们将不得不为每一批垃圾量身定制玻璃——有点像混合不同年份的葡萄以生产出优质白兰地。Kruger说：“没有人会闻其味，也没有人会尝其鲜，但这是一个相同的机制。”
自1989年以来，多个承包商参与了Hanford项目，其中包括英国政府名下的英国核燃料有限公司（British Nuclear Fuels Limited），该公司出口了在Sellafield核废弃综合设施中使用的技术。价格上涨之后，美国能源部于2000年聘请了加州旧金山的建筑和工程巨头Bechtel公司作为主要承包商。
那时，Hanford工厂预计耗资43亿美元，并于2007年开始制造玻璃柱。但随着工程师们开始研究安全和技术细节，该项目的价格和复杂程度都大增。到2012年，几名高级官员引起了人们对项目的顾虑，这些官员中包括一名前能源部员工和两名承包商（他们在被解雇后检举揭发内幕）。一个顾虑是热量和辐射分解水分子时产生的氢气可能会积聚在储罐和管道中，造成爆炸的危险。另一个是，保持重质粒子移动的混合容器不够强大。随着时间的推移，足够的残余钚可能沉淀出来，形成危险的链式反应。
时任美国能源部部长的朱棣文组建了一个专家小组进行调查。最终，Bechtel公司被命令首先建造一个只能使液体废料玻璃化的工厂。这些液体占废料量的90％，但其放射性只占10％，比高放射性废料所需要的处理更少：先进行挑拣，除去高放射性的铯，然后直接送去玻璃化。田纳西州范德堡大学的化学工程师David Kosson曾是朱棣文的专家小组成员之一，他说，“这是有道理的。如果你一定要开工的话，低活性废料是一个合适的切入点。”
遗留问题
虽然高放射性的废料处理设施依然被搁置，但能源部及其承包商花费了数年的时间，利用计算机模型和原型来研究技术问题。二月份，该机构宣布已经解决了氢气积聚和失控反应的问题。熟悉这项工作的科学家说，一个新设计的混合容器的测试即将完成，未出现任何重大的故障。该容器配备六个“脉冲式喷射混合器”，可以像滴油管一样将废物排进排出，以防止固体沉淀。
研究人员也在玻璃谱上取得进展。Kruger和外部科学家已经表明，某些成分可以容纳的废物比以前估计的更多，因此可以节省成本。Kruger说，高放射性废料处理设施生产的玻璃柱数量可能会从18000个减少到7000个。低级别的工厂可能仅需要制造7万根左右的柱子，而不是14.5万根。
但问题依然存在。一份美国能源部在2015年的报告记录了500多个可能影响低级别工厂运行的漏洞 — 包括一些用于处理放射性材料的电气和机械系统。监督团体Hanford Challenge的执行董事Tom Carpenter希望这个工厂能够像宣传所说的一样工作。但他担心美国能源部，其承包商，甚至华盛顿州都迫不及待地要启动这个设施。他说：“每个人都迫不及待地想要展示进展。我明白这一点，但是你们不能掩盖安全问题。” Hanford的能源部高级官员拒绝接受采访。Bechtel公司的一位发言人说，该公司已经调查了报告中提到的绝大多数问题，并且已经向美国能源部提交了答复以待批准。
不是每个人都相信必须用玻璃化的方法。美国能源部因为受到法律协议和核废物管理法规的约束才采用这个方法，但从技术角度来看，还有更好的选择，Jim Conca说。他是一个独立研究中心的顾问兼前主任，该中心支持位于新墨西哥州Carlsbad外的废物隔离试点工厂（WIPP ）。该工厂是美国唯一运作的高放废物地质处理库。
目前，Hanford的高放射性废料存放在内华达州Yucca山一个长期停滞的地质处置库等待处理。那里的水渗透是一个问题，所以废物必须装在玻璃里，以确保它在数千年内保持稳定。但是Conca说罐式污泥是足够安全的，可以在干燥后直接送到WIPP — 如果可以改变法规使得该方案允许被实施。同样，低活性的废料可以混合灌浆来制造类似混凝土的材料，这种材料更加便宜，而且许多人相信和玻璃一样安全。“为了环境安全，所有这些废料在技术上都需要进行玻璃化吗？可能并不是。”Kosson说。但Kosson认为美国能源部最终还是会推动这个计划。
朱棣文依然相信玻璃化是可行的，但他表示，能源部应该接受新科学，并根据需要转变进程。他说，更普遍的是，要解决有关如何处理所有核废料的问题，以及在哪里处理这些问题，美国还有很长的路要走。他说：“这是一个重大问题，要想找到一条更好的道路，必须有很多好的科学，且要始终保持开放。”
Hanford玻璃化设备的造价现在已升至168亿美元。假设最新的时间表保持不变，高放射性废料处理厂将于21世纪30年代初投入运营，并将持续数十年。与此同时，危险的废料仍存在地下，虽眼不见，却心不安。ⓝ
Nature|doi:10.1038/550172a
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How the United States plans to trap its biggest stash of nuclear-weapons waste in glass
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