傳統(tǒng)觀點認為，核廢料應該在地下幾百米以內的深層地質儲存庫中處理。石油和天然氣行業(yè)率先采用并現(xiàn)已掌握的深層定向鉆井技術是一種替代解決方案。

1、深層地質儲存庫

核廢料處理提案的現(xiàn)狀

核能可能是新的綠色能源，除了一個相當大的問題。

核工業(yè)正在努力消除其有毒廢物。正如最近所說，“深層地質儲存庫(DGR)是全球首選的、經科學驗證的儲存高放廢物的解決方案”。

然而，這取決于你如何定義“深度”。

目前的DGR儲存點確實理解有誤，目前計劃位于地面以下60米至800米的地方。

就高放核廢料而言，這個尺度是完全不夠的。要想真正有效，DGR儲存點必須深得多。

自20世紀70年代以來，一些國家一直在尋求管理核廢料的處置方式。

盡管做出了這些努力，但核廢料仍然不斷累積，看不到實質性的解決方案。

然而，今天有另一種解決方案——在地表以下3000米或以上的封閉地質地層中，鉆探深層水平井道處理系統(tǒng)。

2、技術發(fā)展

德國的下薩克森州的Gorleben，一個位于前鹽礦的放射性廢料場

事實上，目前所有的“深層”儲存庫計劃或工作都是近地表儲存，旨在淺地表隧道或礦山中處理高放廢物。許多都很淺，實際上都在現(xiàn)有的地下水位中。

盡管自20世紀90年代末以來，替代解決方案已經出現(xiàn)并為人所知，但負責當前設計的機構似乎完全致力于盲目相互效仿，在幾十年的時間里，每個機構都花費了數(shù)十億美元開發(fā)“一次性”DGR系統(tǒng)。

在這樣的系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)的缺陷或錯誤都將意味著徹底的損失，所有的時間和金錢投入都將打水漂。

由于投入的時間和金錢并不短缺，缺少的是創(chuàng)新。

自40多年前在美國建立尤卡山儲存庫以來，廢物技術沒有任何變化——一個關閉的地點，恰當?shù)叵笳髦斍癉GR的“解決方案”

正如尤卡山所面臨的長期問題那樣，近地表儲存庫的價值可能值得懷疑。

開發(fā)商預計，通過安裝膨潤土“回填物”或鈦“雨傘”，這些附加組件可以保證一定的保護壽命，所有這些都要付出極端的成本和風險。

然而，任何暴露在水中的人造保護裝置都無法在必要的時間內承受腐蝕。

幸運的是，一種替代的解決方案已經存在：在深水平井道中進行處理，在3000米深以下的固體巖石區(qū)進行鉆探和完成。

這是一個更好的解決方案，原因有很多。

封閉地質構造中的深層水平處置庫，遠低于任何已知的地下水位。

這種處置行動在今天也是可能的。而且它的價格要便宜得多。由于這些原因，它是目前近表面DGR系統(tǒng)的一種優(yōu)越的替代方案。

3、深層水平井道-內置冗余

SuperLATTM系統(tǒng)與尤卡山相比。

首先，井道儲存系統(tǒng)垂直向下，鉆至地表以下至少3000米(10,000英尺)，比現(xiàn)有的DGR系統(tǒng)深得多。

接下來，將井道轉向，橫向水平延伸至少5000米。

然后，可以將橫向截面擴孔至所需的井道直徑。如圖2所示，這種創(chuàng)新的鉆井操作提供了一個連續(xù)的封閉通道路徑，內表面設置多個耐用的鋼套管，這些鋼套管外部襯有堅固的水泥環(huán)空。

雖然該設計是一種新穎的應用，但它是對已使用多年的油田井下工具的改進。

這種工程方法是該行業(yè)的核心，僅在美國，該行業(yè)每年鉆探的水平井筒就超過61,000,000米。強大、可靠、快速且易于復制。

現(xiàn)有的鉆機系統(tǒng)具有必要的機械能力和操作通用性，可以在地表以下3,000米處鉆取大直徑水平井筒，而鉆機的提升能力超過450噸自重。

這種設備是標準式的，目前在世界各地都在使用和鉆探。

目前可以實際地鉆探所需類型的高放廢物水平井道。在石油和天然氣勘探中，有數(shù)千個水平井筒使用多種井下工具、生產設備和完井系統(tǒng)。

如果需要，可以對高放廢物進行解構和重建，使其以被認為最有效的尺寸安裝到圓柱體中，并且可以對井筒進行設計以配合。

作為一種在短時間內，以相對較低的成本建設深層地質存儲庫的方式，它與目前的方法形成了鮮明對比。

此外，存在大量的技術知識基礎，有經驗豐富的技術服務公司可以支持實施。

水平井道還襯有多個鋼套管，并被精心設計的水泥基質包圍。這提供了另一個安全層，除了如圖2所示的不透水巖石儲存庫地層的自然保護之外。

圓柱形廢物膠囊可以從地面自動插入，穿過垂直段，然后安全地“降落”在水平井道中。將膠囊水平放置在井筒中，可以消除垂直堆疊時產生的任何額外重量。

里面的單個廢物膠囊被密封在一個液壓封閉的巖石區(qū)內，位于生態(tài)圈下方數(shù)千米處。將膠囊安全地儲存在儲存庫中后，可以對垂直井筒進行密封。

地下數(shù)千米處40千噸級核爆炸現(xiàn)場的露天廣場

如圖4所示，在美國科羅拉多州，一枚40,000噸的原子彈在2500多米(8000英尺)的地下成功引爆，以刺激(壓裂)深層含氣頁巖地層。

在深層水平儲存庫系統(tǒng)永久關閉后，類似的表面標記將是唯一可見的提醒——成噸的核廢料埋在地表以下數(shù)千米處。

還需要對現(xiàn)場幾英里范圍內的侵入性鉆井發(fā)出額外警告。將廢物儲存得如此之深，也會使不良行為者幾乎不可能進行任何危險工作。

4、保護地下水

Deep Isolation處理核燃料和高水平廢物的概念(圖片：Deep Isolation)

即使在幾十年沒有取得任何重大進展或成功之后，各集團仍繼續(xù)相互效仿，在地下水位或地下水位附近的近地表廢物庫中挖掘和開發(fā)采礦系統(tǒng)。

地質學家無一例外地認為，這些近地表巖石是有裂縫和斷裂的——這是自然界的事實。

這些裂縫的存在允許流體遷移。最近的許多研究得出結論，地表雨水可能在不到50年的時間內到達這些儲存層，從而給儲存的膠囊?guī)砀g問題。

這已經通過對遷移的地表雨水的分析得到了技術上的證實。

例如，氯-36是一種氯放射性核素，以一定的穩(wěn)定和可預測的濃度存在于雨水中。

它可以測量水的“年齡”，可以說是水的“指紋”。

氯-36存在于所有流入近地表礦山和隧道的雨水中。在這些近地表系統(tǒng)中，這種同位素在水中的存在是一種閃爍的紅光。

在名義上被稱為“現(xiàn)代水”的水中發(fā)現(xiàn)的氯-36比例升高，是由20世紀50年代在大氣中進行原子彈試驗引發(fā)的爆炸引起的。

這些高頻發(fā)現(xiàn)在1950年代之前并不存在。這表明，在近地表高放廢物處理系統(tǒng)中，“現(xiàn)代水”已向下進入這些處理區(qū)。

對滲透到近地表間隙水中的氯-36的詳盡分析表明，地表水繼續(xù)向下遷移，到達任何儲存的高放廢物材料。

儲存在儲存庫中的高放廢物材料，可以會不可避免地發(fā)生化學、物理和電解降解，而不考慮任何后續(xù)的人工保護系統(tǒng)，如鈦傘板。

必須在深地層中安全處理高水平廢物，以防止地質時期任何可能的向下流體滲流，導致有害和災難性影響。

在高放廢物儲存所需的特殊時間內，水范圍內的任何人為保護措施都無法永久維持。

捷克政府尋求在歐盟2050年的最后期限前完成舊核燃料深層地質儲存庫的運營。

近地表采礦技術的支持者表示，他們解決水遷移問題的方法是使用鈦“傘”，后續(xù)安裝以保護膠囊，還使用膨潤土材料作為儲存庫“回填物”，“膨脹”以緩解膠囊區(qū)的流體流動。

很難看出這些措施如何能夠在至少10,000年內保持所需的安全水平，遠低于安全廢物處理所需的地質時間尺度。

更好的解決方案是，在沒有流體流入或流出系統(tǒng)的地方，設計和實現(xiàn)一個深層儲存庫。

這樣的系統(tǒng)必須位于大規(guī)模不可滲透的巖石區(qū)內，深度足夠大，地表水不會向下遷移。

這是選擇深層水平井道儲存的關鍵基礎。

此外，我們還可以從正在進行的油田壓裂作業(yè)中學到很多東西，這些作業(yè)深入了解了巖石允許流體遷移的能力。

深層水力壓裂區(qū)的“緊密”性質意味著，它們最初是非生產性的。

為了讓流體進入這些區(qū)域，工程師必須使用超高壓泵，表面壓力高達19,800磅/平方英寸。

如果沒有這些極高的壓力，就沒有流體流入巖石基質。

從所需的巨大壓力可以推斷出，由于滲透率極低，儲存庫巖石的流量非常小。

因此，在這些非常致密的巖石區(qū)域中使用深層水平井道最適合安全的核廢物處理。

5、成熟的經驗

水平井道中的核廢料艙

仍有許多人對深層水平井道方法持懷疑態(tài)度。

雖然這種水平井道系統(tǒng)以前確實沒有做過，但地球上也從未實施過DGR。

今天世界各地有幾十萬個成功的水平井道在運行。

我們應該問，為什么幾十年來，數(shù)十億美元浪費在了DGR的持續(xù)研究上，但一直沒有成功，為什么我們還沒有找到更好的解決方案?

礦山和隧道是更好的儲存庫來源，這是一個神話，因為你可以“看到、感覺和監(jiān)測”巖石表面。

面對石油和天然氣行業(yè)開發(fā)的大量石油物理和勘探分析技術和系統(tǒng)的經驗，這種錯誤的、陳舊的想法完全公然地存在。

該行業(yè)使用極其先進的井下工具和復雜的人工智能計算系統(tǒng)。這些工具使科學家、工程師和研究人員能夠深入觀察并科學地檢查井筒內和周圍的長距離巖石。

它們精確的提供2D、3D和有時4D的巖石和流體數(shù)據(jù)。

這一分析，允許在不親自“觀察”地表下數(shù)千米的巖石表面的情況下，做出價值數(shù)十億美元的勘探決定。這些分析系統(tǒng)十分有用。

需要強調的是，廢物膠囊不應被視為廢物的最終保護器，而是一個10,000年的容器裝置，其主要目的是在地表安全處理廢物，并將其安全運輸?shù)缴顚拥刭|儲存庫。

廢物的最終保護者是不透水的巖石。巖石的固有特性、尺寸、深度和低滲透性是實際的長期保護系統(tǒng)。

6、投資小，高回報

深層定向鉆井是石油和天然氣行業(yè)的標準技術

大規(guī)模近地表作業(yè)不是核廢料處理的最佳解決方案，甚至不是合適的解決方案，原因有很多。

這些作業(yè)需要數(shù)千名地面工人，以及數(shù)百名地下個人，這些還需要配套設置安全、通風、運輸和逃生系統(tǒng)。

這些大型且人員配備齊全的“采礦”型作業(yè)成本高昂、危險、效率低下且周期漫長。

此外，這種復雜的操作容易出現(xiàn)災難性的人為錯誤，可能會使項目停止運行。

美國能源部位于新墨西哥州的WIPP設施最近發(fā)生了一次近地表處置作業(yè)中的“事故”。風井故障和放射性泄漏問題導致運營中斷多年，需要花費數(shù)十億美元進行修復。

相反，SuperLATTM技術允許在單個深層水平井道中處理數(shù)千噸高水平廢物膠囊。

它在深層不透水巖層中形成了一個安全的深層廢物儲存庫。

圓柱形膠囊形式的廢物可以快速方便地放置在這些深倉庫中，只需幾個月就可以鉆孔。

一旦小型模塊化反應堆(SMR)產生的廢物在冷卻池中充分冷卻，這些儲存庫就可以安全處理這些廢物。

SuperLATTM系統(tǒng)不僅明顯不易出現(xiàn)人為錯誤，而且與現(xiàn)有的DGR操作相比，解決任何問題和重新啟動的資源都很小。

它強大、開發(fā)良好，而且目前可用，成本為數(shù)百萬，而不是數(shù)十億。

一個典型的SuperLATTM操作，可能需要不到30名工人在地面上鉆探、裝載和處理超過100萬磅的封裝廢物，成本不到5000萬美元，并且可以在不到六個月的時間內實施儲存庫。

非常非常深的處置庫為當今的高水平廢物問題提供了及時的解決方案，它們應該成為振興全球核電行業(yè)的基礎。

有了這樣一種可靠且經驗證的傳統(tǒng)方法替代方案，現(xiàn)在是時候重新考慮高水平的廢物處理了。

7、獲取可行性研究數(shù)據(jù)

Deep Isolation 2019年的鉆孔概念演示(圖片：Deep Isolate)

一些研究人員最近表示，該行業(yè)應該通過研究一項新的深井高放廢物(HLW)處理計劃來“啟動”一場全國對話。

他們建議鉆一口井進行地質和巖石物理分析。他們希望量化所選場地在高放廢物處理方面的技術適用性。

首先，利用一口測試井提供關于深層適合高放廢物處理的信息，適用性的最小且統(tǒng)計上不可靠。

大規(guī)模、詳細的分析必須是區(qū)域性的，才能獲得可用的定量地層數(shù)據(jù)。單個井筒是一種代價高昂的資金濫用，因為它提供的數(shù)據(jù)很少，難以可以作為數(shù)十億美元決策的基礎。

其次，更重要的是，研究人員沒有意識到已經存在大量的地質數(shù)據(jù)。不需要鉆一個新的井道來獲得它。

例如，僅在美國，就有超過37個州的巖心庫，可以在那里進行巖心樣本的檢查和分析。

這些巖心是從鉆孔中收集的，代表了數(shù)百種不同巖層中數(shù)千口井的鉆井數(shù)據(jù)。

為了檢測相關巖層的情況，僅北達科他州巖心庫就有超過304,800米(1000000’)的巖心樣本。

在得克薩斯州和其他州，用于深層地層分析的真實巖心數(shù)據(jù)的可用性甚至更大，而且?guī)缀蹩梢悦赓M獲得。

由于已經鉆探了數(shù)千口井，深井道的可行性以及在哪里最安全、最有效地鉆探的證據(jù)已經存在。

商業(yè)核心圖書館是另一個現(xiàn)成的信息來源。

這些私人綜合圖書館維護良好，及時更新?lián)Q代，由大型和小型勘探公司供私人使用。

高放廢物行業(yè)可以以相對較低的成本利用這些資產，而且比僅用于提取樣本的鉆井成本要低得多。

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