环保
芬兰计划将废核燃料掩埋10万年
芬兰即将成为第一个将乏核燃料棒长期深埋地下的国家。
摘要
芬兰正在建设地下核废料存储设施Onkalo项目。该项目位于芬兰西部，是一个地下岩洞，可以存储芬兰未来100年产生的所有高放射性核废料。该项目旨在确保核废料在十万年内不会泄露出来，对环境产生影响。芬兰有着60年的核能经验，目前有四座运转中的核电站。然而，核废料的长期储存一直是难题。Onkalo项目就是要解决这个难题，它将 423米深入地下，由数百个衬有钢筋混凝土的通道组成。容器里装有铅和铜这些绝缘材料，将核废料与外界隔绝。虽然科学家无法确定未来会发生什么，但这个设计考虑到了各种可能出现的情况，应该可以防止核废料外泄。
该项目的优点在于地下的岩石具有天然屏蔽放射性的特性。然而，真正挑战在于要确保其可靠和稳定足够长的时间，而人类文明只有几千年的历史。该项目的设计寿命为12万年，要考虑地质变化、未来文明的发展等各种复杂因素。该项目的支持者认为，与不设计任何长期方案相比，Onkalo项目是目前最好的选择。该项目的实施需要大量资金和国际支持与合作。如果成功，它可能为其他国家设计长期核废料储存方案提供重要经验。
“Onkalo”是一个芬兰语单词，意思是洞穴或洼地。它暗示了一些重大而深刻的事情:你不知道一个onkalo在哪里结束，或者它是否结束。
对于过去20年在芬兰建造的一座巨大的坟墓来说，这是一个合适的名字。Onkalo位于该国西南部Olkiluoto岛基岩内450米(1500英尺)深处，是世界上第一个永久性的乏核燃料储存地。
通往Olkiluoto的道路蜿蜒曲折，两旁是高耸入云的松树。经过五个月的冬天，这里的大自然又恢复了生机。地面上覆盖着一层小黄花，空气中充满了鸟鸣声。对于一个主要的工业区来说，这几乎是太美了。
奥尔基卢奥托是三个核反应堆的所在地，它们并排坐落在海边。第三座反应堆今年才启动，成为15年来西欧第一座提供电力的新反应堆。这些反应堆，连同位于南海岸的另外两个反应堆，生产了芬兰33%的电力。
距离奥尔基卢奥托反应堆几分钟车程的地方，世界上第一个乏核燃料地质处置设施(GDF)的建设已接近尾声。
我们这一代科学家和工程师有责任应对处理废物的挑战，而不是把它留给后代——Lewis Blackburn
Onkalo已经花费€10亿英镑(8.6亿英镑/10.7亿美元)建造，预计将在两年左右开始运营。它的到来被包括国际原子能机构(IAEA)在内的许多人誉为游戏规则的改变者。国际原子能机构总干事拉斐尔·马里亚诺·格罗西(Rafael Mariano Grossi)在2020年访问该场所时评论道:“每个人都知道高放射性核废料地质处置库的想法，但芬兰做到了。”
赫尔辛基大学放射化学教授Gareth Law说，包括英国、美国、瑞典、法国和加拿大在内的其他国家已经在寻找类似的解决方案，他没有参与芬兰的项目。"芬兰至少领先其他国家十年。"
Onkalo被设计用来储存高水平的核废料，这些核废料在人类难以理解的时间尺度内仍然具有放射性。但它已经引发了关于是否会出错的争论。那么，芬兰真的找到了解决核废料的办法了吗——谁能保证它在遥远的未来依然安全呢？
核能目前提供了全球约10%的电力。由于低碳，它被许多人视为对抗气候变化的重要角色。
但是，由于其高成本和长建造时间，以及对核反应堆安全的担忧和如何处理核废料的未决问题，它在许多国家仍有争议。
尽管如此，包括美国和英国在内的几个国家正在建设新的反应堆或升级现有反应堆以增加产能，而印度、中国和俄罗斯等其他国家则计划大举扩张。
关于这些工厂本身的安全性仍有争议，但也需要找到一种解决方案，来解决正在积累的大量乏燃料和放射性废物，这些废物在几十万年内对环境和人类健康仍然是危险的。
这种废物需要远离人类，并与环境隔离一段时间，这段时间人类几乎无法理解。这个问题使得放射性废物的安全管理成为核能的最大问题之一。
国际原子能机构估计，截至2016年，全世界大约有26万吨乏核燃料临时储存，其中大部分在反应堆所在地。世界上大约70%的乏燃料储存在储存池中，其余的储存在被称为干桶的混凝土和钢容器中。
很少有人相信这种情况会无限期持续下去。
“60多年来，我们都受益于核能，”英国谢菲尔德大学核材料讲师Lewis Blackburn说。“我们这一代科学家和工程师有责任应对处理废物的挑战，而不是把它留给后代。”
他说，Onkalo得到了公众的支持，是通过民主程序产生的。“这很特别，是一个巨大的里程碑。芬兰为世界树立了一个榜样，通过与公众的成功合作和透明沟通，可以取得什么样的成就。”
几十年来，科学家们一直在努力解决如何处理高放射性核废料的问题。乏燃料是最难处理的废物之一，因为它非常危险。Blackburn说，它产生的辐射水平可能会给附近的人带来致命的剂量。
根据法律，科学界的共识是，在像Onkalo这样具有稳定岩层的专门设计的处置库中进行几十万年的地质处置，是乏核燃料“最可行的方法”。“我们有工程解决方案，可以向下挖掘、向下挖掘、放下垃圾，并在垃圾周围筑起屏障。”
芬兰辐射与核安全局得出结论，Onkalo基岩的特性有利于确保乏核燃料最终处置的安全。
像芬兰的其他地方一样，翁卡洛在地质上非常稳定，地震的风险很低。“Onkalo的岩石是混合岩-片麻岩:一种岩石中两种不同岩石类型的混合物，”Posiva的首席地质学家Antti Joutsen解释说。“它差不多有20亿年了，非常坚硬。”
这很重要，因为岩石是处置概念中的三个安全屏障之一。它还必须足够稳定，以便在地下深处建造沉积隧道和沉积洞。
Law说，Onkalo靠近一个现有的核电站，这也是决定将其建在那里的原因之一。“在核能投资方面，全球的一个问题是邻避(ism)，即‘不要在我的后院’”，他补充道。“芬兰这一地区的人们已经在家门口拥有了核能，并接受了它。所以把废物放在这里对他们来说并不是一个很大的信念飞跃。”
Onkalo将首先不经再加工就取走用过的燃料棒。一些科学家表示，后处理——从产生可重复使用的核材料和高水平核废料的乏核燃料中分离钚和铀的过程——将通过减少剩余废料的总量来使它们更加安全。赫尔辛基大学化学系讲师Marja-Siitaru Kauppi解释说:“你还可以回收铀和钚，它们可以用来制造新的燃料。”世界上大约三分之一的核废料经过再处理，然后可以玻璃化(变成玻璃。)
但是其他人说再加工增加了核恐怖主义的风险。从长远来看，玻璃化废物也可能在接触地下水时溶解。Posiva公司是为建造和运行Onkalo而成立的，该公司自己说，再处理技术要求高，成本高。Posiva的研发协调员Johanna Hansen指出，它还会产生一定量的高放射性废物。"因此，在任何情况下都需要一个处置设施."
二十多年前，当芬兰的两个核生产商同意在一个地方处理他们的乏核燃料时，芬兰决定在翁卡洛建造一个设施。芬兰政府于2000年12月批准了建造该设施的计划，称“在研究过的处置方案中，基岩深层处置提供了将高放射性核废料与生物圈和人类栖息地隔离的最佳和最现实的可能性”。
Onkalo处置库基于瑞典核燃料和废物管理公司与Posiva合作开发的KBS-3概念。这个想法是围绕核废料建立三个屏障:首先，把它放在铜罐里，然后用膨润土——一种吸水粘土——包裹罐子，最后，把它们埋在岩床深处的隧道里。
“这个过程从地表的封装工厂开始，”汉森说，他已经在这个项目上工作了20多年。“在这里，我们将把用过的燃料棒放入一个由两部分组成的废料罐中:内壳由铸铁制成，外壳由5厘米(2英寸)厚的铜制成。”
她说，然后将盖子焊接到废料罐上，将废料罐运送到处理设施的储存区。一旦场地准备就绪，这些将被转移到地下450米(1500英尺)的水平沉积隧道，在那里进行最终处置。
Onkalo将接收芬兰五座核电站在整个生命周期中产生的所有高放射性核废料
一部电梯将首先把这些废料罐下降到大约437米(1430英尺)深的着陆区。当我在2023年5月访问时，这个电梯井位于一个照明良好的宽敞服务区内标有两个大红色x的门后面。安全是这里的关键:它仍然是一个非常活跃的建筑工地。汉森说，从这里，一个机器人运输车将把这些罐子带到一个沉积孔。
到目前为止，已经建造了五条终端沉积隧道，都有350米(1150英尺)长。随着设施的填满，未来几年还将建造另外85座。每个沉积隧道的地板上都有大约40个垂直的圆孔，每个孔8米(26英尺)深，2米(7英尺)宽。总共有大约3000个罐子的空间，每个垂直孔一个。
“它们总共可以容纳5500吨垃圾，”Joutsen说。“所以翁卡洛将承担芬兰五座核电站在整个生命周期内产生的所有高放射性核废料。”
汉森说，每个废料罐被埋起来后，它的洞就会被膨润土填满。“当我们在每个洞里放一个罐子后，我们会用更多的膨润土回填隧道，并用混凝土将其密封。”
乏核燃料的最终处置将在未来几年的某个时候开始。Posiva估计，这个储存库将需要100-120年才能装满。到那时，整个设施将被密封起来，让这些罐子不受干扰地放置至少100，000年，其致命的放射性物质与外界隔离。
Joutsen说，虽然这里地震的风险很低，但地震活动已经被考虑在内了。“在接下来的100万年里，将会有几次冰河时代，它们将会带来地震的风险。Onkalo顶部将有2-3公里(1.2-1.9英里)厚的冰盖，将地壳向下推数百米。翁卡洛的设计能够承受这种压力。”
他补充说，当冰河期结束时，地壳将再次开始上升——届时可能会发生足以打碎罐子的地震。“为了防止这种情况，我们把它们放在了尽可能好的位置:处理孔在基岩的未破裂部分。”
GDF不是唯一提出的放射性废物长期安全管理的想法。例如，挪威正在考虑深钻孔处理，将废物放入罐中，在没有施工隧道的情况下，在更深的3500米(11500英尺)的细钻孔中。
还提出了其他几乎不可信的选择，如用火箭将核废料发射到太空中，或将其放入俯冲带——地球构造板块位于另一个板块之下的区域。
尽管如此，继续探索替代方案是有意义的——尤其是因为一些科学家对芬兰的方法感到担忧。
在我们之后可能会有更聪明的人对如何处理核废料有新的想法——Marja-Siitaru Kauppi
Posiva表示，其理论和实验室研究表明，Onkalo将为核废料提供长期保护。但是有批评家担心在翁卡洛使用的KBS-3处理概念的安全性。
KBS-3V基于多重屏障原理:乏燃料包含在三个保护屏障内:铜罐、膨润土和基岩。最重要的屏障是铜罐，Onkalo假设铜在无氧条件下不会腐蚀——即在缺氧的情况下，例如埋在周围有膨润土的基岩中。
但瑞典皇家理工学院(KTH)的研究人员对非合金铜罐的耐腐蚀性提出了质疑:他们说，他们的实验表明，即使在无氧条件下，铜也会腐蚀。
斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的化学家Peter Szakálos说:“你可以用膨润土和岩石填充隧道，但自然会顺其自然。”。“水将进入隧道，它将比理论模型预测的更快地腐蚀铜。”
Szakálos认为，腐蚀裂缝可能会在一百年内破坏Onkalo的许多罐子。
Posiva在对腐蚀进行了自己的研究后，拒绝了这些说法。Posiva科学家和独立专家的一篇论文得出结论，“在储存条件下，铜壳不太可能发生应力腐蚀”。它还认为，在实验室实验条件下观察到的腐蚀与翁卡洛地下450米(1500英尺)的条件无关。
我们试图建造一种比智人生存时间更长的东西，时间跨度令人难以置信。——Antti Joutsen
这种相互矛盾的证据推迟了在瑞典建立一个基于与Onkalo相同的KBS-3概念的储存库的计划。但在2022年1月，瑞典政府批准在斯德哥尔摩以北约130公里(81英里)的福尔斯马克建造GDF——在Posiva的Hansen看来，这一发展应该会平息铜的争议。
“我们有一个强大的、多屏障的概念，我们为未来一百万年可能发生的情况做好了准备，”Hansen说。“例如，我们观察了如果一个罐子早期开始泄漏会发生什么，如果粘土安装错误会发生什么，如果隧道中有更多的水并且水化学与我们预期的不同会发生什么。我们的风险评估结果显示，我们是安全的。”
至少现在，芬兰和瑞典正在推进计划，尽管Szakalos说将会有更多关于铜腐蚀的研究。
Onkalo和拟议中的瑞典设施都旨在保持放射性废物至少10万年的安全。Joutsen说:“我们试图建造一种比智人生存时间更长的东西。”"时间跨度令人难以置信。"
当设施装满时，隧道将被封闭，地面上的建筑将被拆除，土地将被恢复。“会有动物、树木、植物和房子，”Joutsen说。他说，如果他能活到120岁，他会很乐意在翁卡洛买一块地。
后面的事情就更不确定了。几千年后，关于翁卡洛的所有知识都将消失，这是完全可能的。
社会科学家一直在努力应对挑战，如何与人类或任何可能在遥远的未来追随我们的人沟通，以警告他们我们留下的危险。
一个关于标记Onkalo的讨论集中在试图找到一个普遍理解的危险标志，如果语言在未来消失的话。然而，Posiva、决策者和研究人员目前的想法是根本不标记Onkalo。“后代不需要知道这些，”Joutsen说。“它是如此之深，如此与世隔绝。这里会有很多铜和钚，一个标志可能会鼓励人们开始挖掘来取回它们。有点像盗墓贼洗劫的埃及金字塔。”
尽管还没有最终决定。不必着急，因为该设施将开放100至120年。
Kauppi说，重要的是把关于标记网站的辩论放在人们能够理解的角度上。她经常提醒赫尔辛基大学的学生，放射性是在大约120年前才被发现的。“我们现在谈论的是未来几十万年可能发生的事情。我们甚至不知道未来一百年会发生什么。”
Kauppi说，她“非常有信心”芬兰在Onkalo方面做得很好，但她认为仍然应该向其他解决方案敞开大门。
“在我们之后可能会有更明智的人，他们对如何处理核废料有新的想法。他们可能会发明更好的东西。我们现在只需要尽我们最大的努力，用我们现有的基于诚实研究的知识。”
本文译自 BBC Future，由 BALI 编辑发布。
