互动科普

核废料储藏在亚卡山安全吗？

Chris G. Whipple

对亚卡山的历史和地质状况的研究可以提供有用的认识，但并非明确的

结论。

在核时代的半个世纪里，美国的核动力反应堆用过的核燃料棒已累积到约30,000公吨，此外还有380,000立方米强放射性核废料(生产核武器所用钚的过程中产生的副产物)。尽管在核废料的处理上已进行了数十年的研究，尽管在核废料的研究，开发与储藏上已花费了数十亿美元，但对这些核废料却只能作临时性的储藏。

以每日6吨的速率累积的核燃料棒多半还留在接受辐射的核反应堆之中，在充满水的水池之中，以及在某些情况下，在混凝土座上的钢制容器之中。而强放射性核废料则储藏在由美国政府负责管理的设在华盛顿州、南卡罗来纳州、爱达荷州和纽约州等地的几处核废料储藏所的巨大的衰变容器之中。一些核废料储藏容器已开始泄漏，使得核废料缺乏更具永久性、更为有效、更连贯的解决办法这一问题愈显突出。

1987年，美国政府决定采用几项长期性解决办法之中的一种来处理这类核废料——将其永久储藏在内华达州南部亚卡山下岩层深处掘出的一系列洞穴之中。从那时起，负责处理实际上美国所有的强放射性核废料的美国能源部已在科技研究上花费了17亿美元，其目的就是要弄清，在亚卡山下的这样一个储藏所中储藏核废料能否做到安全无害。

然而，从一开始起，内华达州政府当局就强烈反对这一计划，并雇用本州科技专家对亚卡山进行研究。目前尚不清楚，内华达州政府能否完全阻止这项计划，但其积极的反对态度肯定会使本来就难以统一的认识更加难以澄清。

与此同时，法律上的一些问题使得采取某种措施成为必要之举。 从1982年起一些核公用事业公司已向核废料基金及一项相关的受让契据帐户投入120亿美元。作为回报，美国能源部保证将建立一个全国性的核废料储藏所，并从1998年开始接受公用事业公司的核废料。 然而，纵然亚卡山真的建成了一个核废料储藏所，但据最新估计，该储藏所要在2015年以后才能开始接受核废料。这使得公用事业公司向设在首都华盛顿的美国上诉法院提出控告，以弄清在两年时间内自己应获得什么补偿。此外，与华盛顿州和南卡罗来纳州签定的法律协定迫使能源部将强放射性储藏容器内的核废料封入玻璃柱，以便最终存人一个储藏所内。

此时将用过的核燃料棒和强放射性核废料存入地层深处的一个储藏所内作永久性处理是否合宜这一问题正处于激烈的争论之中。然而，《核废料政策条例1987修正案》却规定，若是亚卡山被鉴定为储藏核废料的合宜地点，就将其熔凝在亚卡山。与此同时，用过的核燃料棒继续在全美国越积越多，而随着1998年日益逼近，下述问题变得更加急迫：对于亚卡山能否安全储藏核废料这一点，科学能向我们提供什么答案呢？

凝灰岩足够坚固了吗？

这一问题的答案，或者至少部分答案可以从亚卡山那堆荒凉岩石之下深处找到，在那里，初步的考察工作已从一条探査隧道开始展开。亚卡山位于拉斯韦加斯西北约160 公里处，邻近内华达试验场，直到前不久，美国能源部还一直在这里试验核武器。说得更准确一点，亚卡山其实是一条约有29公里长的山脊，它从四周的土地向上突出数百米高。亚卡山的成分为凝灰岩，这种岩石是由火山灰形成的，据估计其年龄为1100万至1300万年之间。

尽管许多设计细节至今尚未最后定案，但这项计划是要将含有用过的核燃料的金属容器水平地置放在储藏室内，储藏室离地表300米，高于地下水位240至370米。一旦核废料储藏所装满了，就要对其作至少50年的监测，然后便将其封闭。

尽管已对核废料的其它储藏方法作过考虑和研究，如将放射性核废料置于洋底之下甚或外层空间，但美国和所有其他有强放射性核废料处理计划的国家都选择了在地层深处建核废料储藏所的计划，如同计划在亚卡山修建的这个储藏所一样。可是，至今还没有一个国家用这种储藏所储藏过任何用过的核燃料或强放射性核废料。此时此刻，唯一真正能替代地下储藏所的办法是在地面上作长期存放。虽说这种存放方式耗资较少，但它并不是一种核废料处理方法，因为还必须对这样存放的核废料进行照管和持续保障。此外，人们还提出了一种混合型的解决办法——将用过的核燃料和强放射性核废料储藏在一个地下储藏所内，但不将其封闭，而是让这一设施长期开放。

亚卡山核废料储藏所可通过一条隧道进入，隧道构成了一条贯穿于该山的U形环路的平行两边，而储藏所就在这U形环路中央的半圆部[参见这两页上的插图]。核废料储藏所的山地构形使坡度和缓的坡道形成了一种有吸引力的特征。环路现已掘好一半，从而为亚卡山内部状况提供了方便。和缓的隧道现已穿进亚卡山山里，并已打到计划的储藏所。目前采用的7.6米直径的隧道。挖掘机每日能掘进岩层多达30米。工程进展迅速。

储藏所的设计人员预期分为两个设计部分，以避免大山地质断层。发现并描述地质断层即将开始实施的几项计划的目标。其名称带有几分诗意的“鬼舞断层”是其中最大最为重要的一个，它将计划中的储藏所区域一分为二。事实上，一份更为详尽的储藏所设计主要期待的是更多的关于鬼舞断层和其它断层的信息，这些断层贯穿于将开掘核废料储藏室的整个山体之中。    

现行的一些计划要求建设一个大到足以容纳70,000公吨用过燃料的储藏所。在这些核废料中，90%（合63,000吨）将是来自核电厂的用过的核燃料，余下的10%（合7，000吨）则将是来自核武器的核废料。就这些核废料而言，其中的7,000吨这一限值指的是当初受到照射而生成核废料的废燃料，这种废燃料目前实际上是一种液体和固体的混合物。

63，000吨这一指标将包括美国产生的大部分(而不是全部)商用费燃料，如果没有建成新的反应堆并且目前正在运转的反应堆寿命均为40年的话.专家们是这样估计的——在核厂反应堆都达到其许可运行寿命的极限时，美国的核电厂反应堆的废燃料总量将达到 84，000吨左右。然而，对于核武器的核废料来说，7，000吨这一配额甚至装不下光是汉福德一地能源部的核废料和废燃料。眼下美国还没有任何政策选定某处作为第二个核废料储藏所。

除了旨在掲示亚卡山的地质特征和特性的研究活动之外，美国能源部的科技专家还在估计其它可能的核废料储藏所设计将怎样影响长期的效能，以及各种核废料容器设计和材料将怎样促进核废料储藏所避免危险核废料污染环境的能力。

人将怎样暴露在核辐射之下

在发现和分析人类将以何种方式暴露在核废料储藏所的放射性材料下这方面，人们已经作了大量的努力，并且已获得数十种方案。在得到最多关注的一项方案中，核废料容器发生锈蚀，水从废燃料或玻璃化的强放射性废料中浸沥出放射性核素，并带着它进入地下水。人若是以通常情况下的任何一种用途使用这种水，如饮用、洗涤或灌概，就会暴露在放射性之下。

然而，建在亚卡山的一个核废料储藏所想必具有一些防止此类情况发生的特有性能。这一储藏所应将核废料储藏在高于地下水位的所谓不饱和岩层内。放射性核废料转移到地下水中的运动可以推迟很长一段时间，并且发生这种迁移的速率相对于建在地下水位以下的储藏所可能很有限，而具体情况如何则取决于有多少水向下流过亚卡山并接触到核废料。

建在亚卡山的核废料储藏所的另外一个好处是，在不饱和岩层中，储藏所的运作(包括取回废燃料的可能性和对储藏所进行必要修理的可能性)较为简单。尽管在一些人看来，有意取回废燃料是遥远的将来的事或者是对核不扩散的威胁，但其他一些人却认为，废弃废燃料是一种极度的浪费行为。鉴于废燃料中的钚和铀含有巨大的能量，在某个遥远的时候有意取回这些核材料是一种合理的可能，这一点我们必须认识到。与已研究过的其它一些类型的核废料储藏所相比，从亚卡山的核废料储藏所取回废燃料较为容易。

有朝一日人类接触到来自亚卡山的放射性核素的可能性以及他们受到的核辐射剂量取决于多种因素。一些因素可以针对未来的任何时间作相当准确的量化，而其它一些因素则不能。属于前一种类别的包括核废料的内容，它决定于计及某些同位素的放射性衰减以及随之而发生的其它一些同位素的放射性增加。同样，放射性核素随着地下水从核废料储藏所渗漏开去而在地下水中稀释和弥散的状况据信可以相当高的准确度预测出来，而这一准确度则取决于人类已充分认清的关于许多现有污染实例的机制和知识。

另一方面.目前的一大未知因素是渗透率，即水向下渗过亚卡山的速率。亚卡山每年的降雨量只有 16厘米左右，雨水中的大部分都蒸发了，只有一些渗入了地下。在确定埋藏的核废料容器能存在多长时间 这一点上，雨水的流动是单一的最重要因素，金属容器的锈蚀率大大取决于它们遇到的水分有多少。水的流率是根据在地下水位之上的地带发现的水体的年龄估算出来的，而水的年龄则是根据碳、氯和铀的同位素比率计算出来的。

还有，整个亚卡山的雨水渗流率的变易性有可能证明是难以描述的，并且气候变化会使流量升高的可能性也不能排除。另一方面，钙质层(碳酸钙的一种)或其它一些较难渗透的材料可能成为限制雨水向下渗流的天然屏障。

而对放射性核素会怎样从核废料储藏所转移到地下水中的估计同样很复杂而不能断定。如果水主要通过岩层裂缝渗流，那么放射性核素的转移时间就会比较短，而沸石 ——往往含有许多化合物的硅酸盐基岩石——对放射性核素则几乎不起迟滞作用。然而若是向下的水流主要通过岩石本身渗流，则放射性核素的转移时间就会比较长，对放射性核素的迟滞作用也会比较强。 岩缝渗流和通过岩石本身的渗流的实际混合模式是无法确知的，因为不可能以必要的细节对整座亚卡山进行精细的分析研究。

人类的拓居模式还给放射性核素转移的估测带来了更大的难题。对于象亚卡山这样的一个计划中的核废料储藏所，风险估测上的最大不定性之一在于，必须对人类未来将在何处生活和工作作出假设。在遥远的未来将会发生何种情况当然是不可知的，但我们可以出于假定估测的目的作出假设。从本质上讲，亚卡山核废料储藏所要能构成一种危害，人们就必须生活在已被核废料储藏所的泄漏污染的地下水流之上或其附近，就必须从打入这一水流的水井取水，并且未曾察觉这水已被污染。

对其它核泄漏方案也已作过研究和考虑。其中包括起因于亚卡山附近火山活动的事件。以及起因于比方说与采矿活动有关的人类无意中侵入的事件。美国地质调查所以及能源部的其它一些承包商一直在研究亚卡山附近的火山，以估计未来发生火山活动的可能性，而从目前情况来看，不象有发生这种活动的可能性。此外对地震也在作研究， 然而，历史记录表明，地震对地下结构的损害往往比对地面结构要小得多。对于人类是否以及怎样在无意中侵入亚卡山地区的推测就象预测将来是哪种类型的社会占据亚卡山地区一样，考虑一下倒不失为有趣， 而具体情况却是不可知的。

多安全才算“安全”？

标准的不确定使得对亚卡山的核泄漏的现实的预测更加困难。核废料储藏在亚卡山是否安全这一问题自然会引出另一个问题——“安全”的确切含意是什么？这一问题目前还无法回答，从管理的观点来看，美国能源部在朝着到目前为止还不确定的标准努力。1992年，美国国会命令环境保护局和全国研究理事会根据全国科学院的建议，拟定专门针对亚卡山的新的标准。全国科学院的准则现已发表，而环境保护局的新标准则尚在拟订之中。预计在美国环境保护局提出自己的方案之后，全国研究理事会也将提出自己的建议。

一个尚未解决的最根本的问题牵渉到要求该核废料储藏所储藏核废料的时间长度。直到不久以前，在研究中的时间量程仍然是美国环境保护局提出的10,000年这一极限。而就亚卡山而言，这一时间极限已受到全国科学院最近向环境保护局和全国研究理事会提出的建议的质疑。全国科学院的观点是，亚卡山核废料储藏所至少应将核废料储藏到其危险开始降低之时，即使这意味着需要储藏1,000，000年也罢。至今尚不清楚环境保护局和全国研究理事会将对这一建议作何答复。

似乎很有可能的是，若是核废料储藏容器和其它封装材料设计得当，那么亚卡山核废枓储藏所就能在10，000年的时间内防止核废料大量转移到环境之中。核废料容器的预计寿命是根据不同封装材料的锈蚀率和核废料储藏所的环境确定的。至于亚卡山，专家们目前正在考虑各种不同的钢钛合金以及陶瓷树料。

遗憾的是，不饱和核废料储藏所的一些长处正是在核废料容器的寿命这一点上被抵消了。明确地说就是，不饱和的核废料储藏所的化学环境能促进氧化——也就是说，这类环境往往能促进同氧的反应。相反，一个精选的饱和性的核废料储藏所则可能是一个还原的环境，这种环境往往会阻止金属和氧之间的反应。

氧化性环境下的长寿命核废料容器的研制比还原性环境下的同类容器看来更为困难。例如，瑞典的核废燃料处理计划就准备在一处海滨附近的饱和性核废料储液用一种镀铜的核废料容器。瑞典人估计，这种镀铜的容器的寿命预计将达到 1,000,000年。瑞典的这一方法的一个附带“长处”在于，若是核废料储藏所最后终于开始泄漏了，它也只是将核废料泄漏到海里，而不是饮用含水层之中。

对于一个不饱和的氧化性环境来说，陶瓷可能是核废料封装材料的最佳选择，因为其长处在于已经被氧化过了。多层容器的阴极防腐法(在这种情况下，外层对内层起着电屏蔽作用)看来也能大大延长核废料容器的寿命。

对核废料容器锈蚀问题的研究现已发现，当核废料容器接触了液态水（如经常有水滴落到核废料容器上或在核废料容器下积聚了一个水坑的情况下)时，锈蚀发生得最为迅速。如果核废料储藏所的设计能够避免同水的直接接触，那么次最重要因素就是湿度了。试验结果表明，当湿度低于一个阈限时，核废料容器候选材料的锈蚀率非常之低——接近零,而湿度较高时，则锈蚀率也较高。遗憾的是，亚卡山内的环境湿度很高，为98〜99%左右.因而对大多数核废料容器候选材料都具有腐蚀性。

液态水和高湿度会加快废料容器的损坏这一研究结果导致了所谓的热而干燥的核废料储藏所之说。此说认为，将周围岩层的温度升高到高于水的沸点，并得来自核废料本身的热量利用起来，就能有效地消除会引起核废料容器锈蚀的高温度或液态水的积聚。计算结果表明，若将核废料储藏密度提高到比较高的水平，例如提高到每公顷200吨铀以上，核废料储藏所的温度就能在 10000年以上的时间内保持在水的沸点以上。

这种做法的弊端在于，升高的温度也有可能对储藏所内的材料和亚卡山本身产生有害影响，例如，更多的热量有可能提高核废料容器的损坏速度。美国能源部目前正在考虑这一折衷方案的利弊，并且尚未确定在核废料储藏所内保持多高的工作温度。

在几十万年这一时间尺度之下，所有的安全分析都假设，核废料容器已失效，核废料储藏所与地下水之间的岩层已达到核废料产物从其间转移的平衡。既然是这样，那么岩层迟滞核废料转移的能力就饱受压力。从核废料储藏所往下流的水的放射性核素的浓度以及因使用这种水而造成的核辐射辐照量两者都处于一种稳定的状态。这一过程中的关键因素是水流过亚卡山的速率、关键的同位素在水中的溶解度、防止水自由接触核废料的局部屏障以及核废料接触到地下水时的稀释度。

在流经核废料的水量受限的情况下，溶解度很有可能限制放射性核素向地下水的转移，尽管有可能一些放射性核素会以胶体(直径在1微米以下的悬浮在液体中的粒子）的形式被传递。对核废料储藏所100 万年时间内的运转性能的预测结果表明，某个假定的饮用离核废料储藏所25公里的水井中的水的人所受到的辐射剂量要在几十万年之后才能达到峰值水平。

转移注意力的事物

在最近几年里，在亚卡山核废料储藏所的稳定问题上发生了一些争执。最惊人的一个问题牵涉到核废料在亚卡山内溶解和转移的过程中出现核临界状态（即自持核链式反应)的可能性。另一个问题与地下水位上升并淹没核废料储藏所的可能性有关。

这两种假设的情况终于得到了充分注意。简而言之，笔者认为，它们都是技术上的“转移注意力的事物。”在不能完全排除遥远的未来某个时候出现临界状态的可能性的情况下，简单的技术措施有可能使这种可能性忽略不计。给核废料容器单纯加入贫化铀就是这样一种方法。若是核废料储藏的时间长到足以让钚239衰变为铀235,这种贫化铀就能防止发生临界状态。这一过程需要很长时间才能完成，因为钚239的半衰期为24,110年，事实上，贫化铀能防止这种钚浓缩到足以发生临界状态的地步。

地下水上涨到亚卡山核废料储藏所所在高度的可能性似乎也是一个很小的问题。美国全国科学院的—个委员会详尽地研究了这一问题，并得出结论说，根本不存在能使地下水位上涨到如此高度的可能机制，也没有物质证据能证明以前曾发生过这种情况。

尽管这两个问题本身似乎没有多少价值，但它们确实突出了迄今为止针对未来的任何分析预测的固有的不确实性。对于亚卡山核废料储藏所来说，即使是“久远的未来”一语其含义也是含糊不明的，它可能意味着10，000年甚或100万年。

可以进行一些实验，以得出关于核废料储藏所应有行为模式的模型的输入量，但根据短期实验结果而对非常久远的长期行为作出的预测则始终是可疑的。遗撼的是，要针对核废料的实际寿命确定出核废料储藏所的运行效能，就必须进行一些长期性的预测，而要作这样的预测，就必须有一些实验作为其基础，然而这样的实验即使有可能做也是为数十分有限的。

迄今为止，上述实验为数非常有限，其中之一采用了例如铀矿床之类的天然类似物来预测核废料储藏所的运行效能，由于废核燃料的主要成分是铀，由于钚239注定要衰变为铀，天然环境下的铀的行为与核废料储藏所的运行效能就有着相应的联系。这类核矿床业已存在数百万年以上而没有分解消失这一事实证明，至少在某些地质条件下长期隔离这类核材料是有可能办到的。然而，尚不确知的是，究竟有多少铀矿床未能留存到今日。

模糊不明的未来

亚卡山核废料储藏所计划的未来尚不确定，从行政手续上讲，若是美国能源部已确定，亚卡山适宜于建设一个核废料储藏所，则该部将向美国核管理委员会申请一个允许在该处修建并运营一个核废料储藏所的许可证。即使该委员会批准了这一许可证，内华达州也可以否定这一计划。不过，这一否定也可以被美国国会的投票表决结果推翻。

然而，事情或许连这一步也走不到。尽管亚卡山核废料储藏所计划的研究考察阶段已历经近10年之久，但现在与此项工作刚开始的时候相比，离核废料储藏所作好准备接纳核废料的预计时间同样遥远。今年美国联邦政府分配给该计划的资金为3.15亿美元，只及申请数额的一半左右，并且这一计划的工作人员比一年以前还减少了 1100人。 核废料储藏所最有力的国会的支持者路易斯安那州参议员J.贝内特·约翰斯顿已宣布，在这一任期结束之后将要退休。

曾在80年代初期导致现行核废料处理政策的政治力量乃是核动力工业势力和环保集团势力异乎寻常的结盟。供电公用事业当时想要迅速进行核废料处理，因而核动力更新的关键障碍被消除了，而环境保护者则希望确保废核燃料不被后处理。