核廢料的存儲模式令人擔心

最新研究表明，受材料間相互作用方式的影響，美國和其他國家計劃用來儲存高放核廢物的材料的降解速度，可能比以前人們了解的都要快。

這些發現發表在《自然材料》上，它們表明，由于儲存核廢物的材料發生化學上的變化，以及受材料間互相作用的方式所致，這些材料的腐蝕會加速。

該研究的首席作者是俄亥俄州立大學核廢物形式和容器性能和設計中心的副主任Guoxiaolei，這個中心也是俄亥俄州立大學工程學院的一部分。他說：“研究表明，目前的方式可能不足以保持這些廢物的安全儲存。這說明，我們需要開發一種新方式來儲存核廢物。”

該團隊的研究重心集中在儲存高放核廢物的材料上——這些廢物主要是過去核武器生產遺留的軍工廢物，具有高放射性。雖然有些廢物半衰期約為30年，但也有一些其他的——例如钚——半衰期可以達到數萬年。放射性元素的半衰期是一半物質發生衰變所需的時間。

目前，美國沒有這些廢物的處置地點；根據美國總問責局的說法，通常儲存在產生它們的核設施附近。人們提議在內華達州Yucca山選一個永久選址，但是這個計劃已經擱置。世界各國在就核廢物處理的最佳方法方面思考很多；但只有一個國家，芬蘭，已經在建設一個高放核廢物的長期儲存庫。

但是，對于軍工產生的高放廢物，各國處置和儲存的長期計劃基本相同。這包括將核廢物與其他材料混合制成玻璃或陶瓷類型的材料，然后將這些已經帶有放射性的玻璃或陶瓷裝入金屬罐。此后，為了隔離，這些罐會被埋入地下儲存庫中。

在這項研究中，研究人員發現，當暴露在水環境中時，玻璃和陶瓷會與不銹鋼發生相互作用，導致腐蝕加速，特別是對于那些含有核廢物的玻璃和陶瓷材料。本研究定性地測量了儲存材料加速腐蝕和自然腐蝕之間的差異。Guoxiaolei把這個差異描述為“很嚴重”。

他還說：“現實中，玻璃或陶瓷廢物會與不銹鋼罐緊密接觸。特定條件下，不銹鋼的腐蝕會變得很嚴重。它產生了一個極具腐蝕性的環境，會腐蝕周圍的材料。”為了分析腐蝕問題，研究小組將玻璃或陶瓷廢物——采用核廢物封裝原本的形狀——壓在不銹鋼上，并模擬尤卡山的環境條件，將它們浸泡30天。

根據這項研究中的實驗，當玻璃和不銹鋼相互擠壓時，不銹鋼的腐蝕是“嚴重的”和“局部的”。研究人員還在與不銹鋼接觸的那部分玻璃上發現了裂紋和腐蝕增強。部分問題要從元素周期表中尋找答案。不銹鋼主要由鐵與其他元素混合而成，包括鎳和鉻。鐵對硅有化學親和力，而硅是玻璃的關鍵元素。

實驗還表明，在模仿尤卡山條件的條件下，對于另一種潛在的核廢物載體，陶瓷，當其被壓在不銹鋼上時，陶瓷和不銹鋼都會有嚴重的局部腐蝕。

鹽礦床是核廢物處置的創新方案嗎?

世界各地都有堆滿核廢物的水池，這些廢物還在等著它們最后的“安息之地”。這些廢物是核能發電在幾十年間產生的，必須謹慎處理和處置。

在美國，科學家們正在研究幾種處理這些廢物的解決方案。Phil Stauffer和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員，一直在與美國能源部和其他國家實驗室合作，以開發一種長期的、安全的處置方案：鹽礦床。

Stauffer說：“美國已經存在的深鹽層，是長期處置的候選者之一。這種‘高放射性’核廢物除了產生必須包容的放射性外，還會產生大量的乏熱。我們需要開發一條明確的路徑來處理這些廢物。”地下存在鹽礦床。它們會自我修復，滲透性非常低，導熱良好。所有這些都對核廢料釋放自然熱很重要。鹽可以成為放射性核素長期釋放到人類環境中的絕佳屏障。

美國和德國正在鹽礦床類的儲存和處置庫中處置中低放核廢物。這些廢物不會產生那么多的熱量。因此，確定鹽礦床對高放核廢物的安全性和有效性，還需要更多的研究。但是，鹽不僅是一種物理屏障，它也是一種化學屏障。因此，需要研究這些鹽礦場會與水、熱和其他地質因素產生何種反應。

最近的地下熱測試始于創建一個完整尺寸的廢物實物桶，并將它加熱近一年。這是自20世紀80年代末以來，美國首次開展這類試驗。

與此同時，美國能源部的研究團隊正在開展一項活動，研究核廢物儲存庫的通常特性。這包括研究在鹽中水如何向熱源遷移。Stauffer 和團隊其他成員一起加入了“鹽中鹵水可用性測試”(或稱為BATS 項目)。這個研究團隊在幾年前開始了一個試點項目。

通過在鹽礦廠中鉆孔、并利用加熱器對這些處于鹽里的洞進行測試，研究人員很有發現，為決策提供了信息。測試發生在地下深處，是在大型鉆機設備挖出的被稱為走廊的坑內。

階段1s(s代表預先準備)于2018年夏天開始，歷時近一年。Stauffer說：“在這次初步測試中獲得的經驗教訓和取得的認知，都正在被證明對下一個大規模實驗的設計和實施至關重要。”此外，研究人員可以利用計算機建模來預測一些結果。Stauffer說：“長周期建模可以用來為鉆孔研究合適的初始壓力和其他重要的因素”。這些因素包括溫度的響應和水的有效性。

階段1于2020年1月開始，將持續數月。它將涵蓋更復雜的數據收集，包括光纖電纜、電阻率斷層掃描以及鹽水蒸發實時同位素測量。

在BATS 項目的未來階段，將對鹽水的可用性進行研究。下一個實驗的數據將用于進一步完善模型，并將與國際研究界共享實驗數據。根據項目計劃，加熱器實驗的規模將逐步擴大，從而最終探索出乏燃料廢料罐在鹽水的可用性，而這是高放廢物處置庫的一個可能的未來。

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