互动科普

美国拉斯韦加斯附近的尤卡山上，有一座由美国联邦政府花费了22年时间建立的高放射性废物处置库。但奥巴马反对继续建设这座核废料处置库。公布这项决定两周后，地球化学家詹姆斯·L·康卡（James L. Conca）带着一个绝佳的想法来到美国首都华盛顿。

康卡来自美国新墨西哥州立大学，原本被派去监测另一个储存用于国防的钚的临时存放所，研究它对周围环境的影响。在那里，其他人看到了问题，他却发现了机遇。

有关核废料的争论由来已久，除了产生大量的研究成果外，还衍生出一种“纪念品”：一种印有“二叠纪时代岩盐”的塑料袋，里面装有一大块透明的晶体。这种晶体来自新墨西哥州卡尔斯巴德城外奇华胡安沙漠地下655米处的美国废物隔离示范工厂（Waste Isolation Pilot Plant，简称WLPP）。作为卡尔斯巴德环境监测与研究中心的负责人，康卡经常向客人赠送这种礼物，让他们将手中的晶体对准阳光，像检查鸡蛋一样凝视这些半透明的晶体。

晶体内部存在许多水泡，地质学家称它们为包裹体（inclusion）。这些水泡看起来就像是果冻中的气泡，携带着有关古代海洋的信息，在晶体中已经保存了2.5亿年。这些包裹体表明了水在岩石中能以多快的速度穿行，而水又可以成为核废料转移的载体。康卡说，对核废料处置来说，这种速度是令人鼓舞的。盐晶体的天然特性使它们能够填补任何微小的裂隙，如此一来，水就被封在晶体中。康卡说：“这种方式的渗透率不是很低，而是零。”在选择地点掩埋100万年后仍有较大危害的东西，比如原本打算埋在尤卡山的核废料时，“你不可能找到比封在这些晶体中更好的办法了”。

康卡与新墨西哥州政府的看法并未达成一致，否则这场争论早就不复存在了。不过，这也意味着，只要核废料处置问题不彻底解决，就会存在多种合理的候选方案。其中一些是选取一个安全可靠的地方掩埋核废料，比如尤卡山和卡尔斯巴德这样的方案；另一些是依靠越来越复杂的工艺回收核废料。但在政府最终选择一种合适的方案之前（这一决策过程可能会花数十年时间），核废料会被迫存放在美国131个存储设施中（见第42页插图）。

尤卡山计划的由来

这种状况并非全无益处。至少到目前为止，所有暂存在发电站内的核废料都在贮存池保存完好，不会发生田纳西流域那样的煤灰泄露事故（2008年12月，美国田纳西州中部一座火力发电厂储存的煤灰泄露，近380万立方米有毒煤灰倾泻而下，淹没了十几所民房）。核废料也不会像二氧化碳那样进入大气，引起令人担忧的气候变化（大气中二氧化碳的含量是评价环境的一个重要指标，类似于被感染病人血液中的白细胞含量）。然而，核废料对环境的影响是长期存在的，持续时间大大超过了产生废料所需的时间。关于如何处理核废料的争论旷日持久，目前美国有10个“被遗弃”的电站，它们的发电机组早已停止工作，然而核废料仍然堆放在那里。

也许“核废料”这个词并不完全准确：从技术上讲，大部分将被掩埋的物质应该被称为是“使用过的核燃料”，即乏燃料（spent fuel）。民用核设施的燃料组是一捆薄壁金属管，里面填满了铅笔上橡皮擦大小的小球，主要成分是铀的氧化物。由于缺少自由中子，这些铀极其稳定。核电站的技术人员接触核燃料时，不需要任何额外的防护装置，只要一双白手套——这副手套并不是为了保护技术人员，而是为了避免核燃料受到污染。

然后，核燃料被运抵反应堆，新燃料放置在最外层。反应堆被封闭后能够连续运行一至两年。然后反应堆被重新打开，移除最内层的（也是最旧的）核燃料，并将其余燃料依次向内层移动，最后填充新燃料。一般来说，一组燃料在反应堆内会经历3次这种循环，总共花费3至6年的时间。

燃料组被移出后，高放射性的裂变产物（比如锶90和铯137）将产生数十千瓦的热辐射。如果仅靠空气冷却，核燃料外包围的金属壁就会融化，甚至燃烧，因此移出的核燃料都被保存在乏燃料贮存池（spent-fuel pool）中。它由钢筋混凝土建造，里面注有非常纯净的冷却水（从水龙头中流出的水，只需一滴就能将整池水污染）。这些元素能够释放大量热量，但它们冷却速度也相对较快。它们的半衰期只有几年（放射性物的半衰期是指有一半的物质因衰变转化为其他元素所需的时间），产热在一年之后会减少99%，5年后，又会在此基础上减少50%；10年后还会再减少40%。

几年之后，这些燃料组就不需要再储存于水中了。它们被转移到钢制套桶中，在那里干燥，充入惰性气体，然后被封闭。最后这些套筒被装入巨大的混凝土储存桶中，存放在反应堆附近。在这些钢筋混凝土的储存库中，仅靠自然的空气循环就能带走燃料释放的微小热量。

真正的长期挑战是处理燃料中的锕系元素（actinides）。当铀原子吸收一个中子但没有发生裂变时，就产生了锕系元素。这些物质的半衰期可达数十万年。美国能源部最初试图证明，尤卡山存放处能在未来1万年内保证核废料的安全，但他们也承认，真正的辐射峰值会出现在30万年之后。反对者抓住这一条大做文章，因此在2004年美国联邦巡回上诉法院（Court of Appeals for the Federal Circuit，简称 CAFC）裁定，美国能源部必须证明核废料能够在储存点安全存放至少100万年。

从科学家的视角看，尤卡山并非最合适的候选地点。尤卡山是火山结构，1987年被美国国会议员选中，作为永久储存核废料的候选地点之一。在政治家插手此事之前，为了迅速找出核废料的储藏地点，并且保证核废料不会扩散，当时的候选名单除了尤卡山外还有两处，分别位于美国得克萨斯州和华盛顿州。美国能源部及其前任机构之所以选择这几个地点，除了参考它们的科学前景，还考虑到了方便的问题——就尤卡山而言，美国联邦政府已经拥有了这片地区，并且附近还有一个核武器试验场。

尤卡山被选为永久存放点，大部分也是政治原因。1987年，美国众议院议长吉姆·莱特（Jim Wright）和副总统乔治·H·W·布什（George H. W. Bush）都是得克萨斯州人，众议院多数派政党领袖汤姆·弗利（Tom Foley）是华盛顿州人，哈利·雷德（Harry Reid）则是内华达州的首任参议员。因此，华盛顿州和得克萨斯州都从名单上划掉了。现在，雷德成为了新的多数派政党领袖。而在大选期间，奥巴马获得了内华达州的4张选票，部分原因是他承诺会妥善处理核废料问题。在这一问题上，科学和政治的观点并不相同。

如果完全以科学的眼光对候选地点进行评估，也许能够有更好的选择。美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission）的热门候补委员、乔治·梅森大学环境科学与政治助理教授、地球化学家阿莉森·M·麦克法兰（Allison M. Macfarlane）说：“从地质学家的视角看，含盐的地方适于存储核废料。”但她也指出：如果盐被外界加热，其中的液态包裹体就会向热源方向移动。因此在掩埋之前，核废料的温度需要降低到一定范围之内——也许得等到本世纪后半叶。

2007年7月，麦克法兰协助组织了一场研讨会，主题是“为美国高放射性核废料处置选定B计划”，这样研讨会表明，目前还没有明确的B计划。尽管如此，她还是认为：如果美国政府能够用更公正、公开的方法选择储存点，换言之，让政治家远离决策，那就应该能够找到一个合适的方案。

B计划

原本不应该出现什么B计划。1982年的美国《核废物政策法》规定，核反应堆每产生一度电，就必须向美国政府管理的核废料处理信托基金缴纳0.1美分。相应地，美国政府负责选定核废料的永久掩埋点。能源部要求所有的核电站都签定这份合同，并从1998年1月开始缴纳。

在奥巴马总统提交2010年政府年度预算，将尤卡山计划的资金削减到约1.97亿美元之前，尤卡山接受首批核废料的预计时间是2017年。估计到那时，美国能源部将负担由于储存点延期开放而造成的70亿美元的公共事业损失，这可能是世界上数额最庞大的滞纳金了。如果继续拖延，滞纳金每年还会增加5亿美元。如果科学家和工程师能够携手努力，找到合适的解决方案，那么就能省下一大笔资金。

另一种解决方案最早在30多年前提出，后来遭到否定，最近又被重新提起。在乏燃料中，大约有95.6%的燃料（按体积计算）没有参与反应。剩余部分中，有3.4%是裂变反应产物，1%是钚这类半衰期较长的锕系元素。在核电工业刚刚起步的时候，这项计划的内容是回收核废料中的铀和钚，制成新的核燃料，剩下的短寿命裂变产物则被抛弃。理论上这种方法能够将核废料的体积减少90%。但在1976年，美国总统杰拉尔德·福特（Gerald Ford）明令禁止这种回收方案，他的继任者吉米·卡特（Jimmy Carter，曾经是海军核动力部门的一名官员）也延续了前一任的做法。他们担心这种回收方法存在核扩散风险，因为钚元素也能用于制造核武器。（除此之外，也必须考虑到经济因素。）

依据福特总统的决定，美国采用“开式”核燃料循环，核废料从反应堆中取出后即被掩埋。与之相对的是“闭式”核燃料循环，大部分有效成分能够被回收，进入反应堆两到三次。“开式”核燃料循环的一个显著缺点就是，浪费了一部分可以循环利用的燃料。围绕着如何掩埋“开式”循环废料的问题，各方面提出了许多解决方案。一种方法是将核废料运送到太空中（考虑到现存核废料的质量，以及现今并不完美的发射成功率，这种方案还是很有挑战性的）。还有人建议将核废料掩埋在板块交界处，经历漫长的地质变化后，希望核废料能重新回到地幔中。

然而实际上，这些核废料仍旧储存在冷却池中，待冷却后转移到干燥的储存桶中。尽管这些钢筋混凝土的储存仓看起来并不保险，其实这是一种比较合适的储存方式。在实际操作中，除了发生一些意外（如不慎让钢制套筒掉落，砸到架子上等），一般不会出现任何问题。即使恐怖袭击在储存桶外面打开了缺口，内部的核废料依然会保持整体，恐怖分子无法将它们取走。况且，能够携带并能熟练使用便携式火箭助推榴弹发射器（Rocket-Propelled Grenades, RPG）的恐怖分子，可以找到更有价值的目标，没必要袭击这些储存的核废料

核废料的存储空间也不是一个迫切需要解决的问题。美国电力研究协会（Electric Power Research Institute）下属的能源技术评估中心（Energy Technology Assessment Center）是加利福尼亚州帕洛阿尔托的一个公共财团，负责人路凡斯·詹姆斯（Revis James）说：“现有核电站储存核废料的能力，就算不能容纳本世纪内产生的所有核废料，至少也能够装下很大一部分。”他补充说：“就算暴露在未埋藏的整桶核废料前，你还可以存活一两个小时。而我们所讨论的核废料体积相当小。”（依据国际原子能机构的数据，一座发电能力为1,000兆瓦的反应堆，每年只产生大约33吨核废料。这些物质若装到一辆大货车里，只能盖满它的底。）詹姆斯说，现在我们面临温室效应的威胁，若仅因为核废料问题就放弃使用不产生温室气体的核能，无疑是不明智的。

除此之外，核废料本身也在变化。在储存桶中存放的时间越长，更多的核废料就会衰变，也就更容易处理。尽管现在美国法律规定了尤卡山的储存上限，但真正限制其容量的因素是热量。如果核废料的热辐射过高，或者排列过于紧密使得附近的地下水沸腾，产生的蒸汽就会使岩石碎裂，最终导致核废料扩散到周围环境。核废料储存的时间越长，它们释放的热量就越小，储存室所需的空间也就更小。（确切地说，是需要的储存室数量减少，否则到2017年，美国拥有的核废料数量就将超过尤卡山法定的容量上限。）

因此，原本作为短期解决方案的储存桶，已经转变为一种可行的中期储存方案。现有的核电站都是在这样一个“保证核废料有处可去”的前提下运行的：即使目前没有核废料储存点，我们也有“充分的理由”相信，到2025年，会出现一个合适的存储点。这种说法现在越来越站不住脚，因此核能管制委员会提出了一个新的说法，宣称核废料在储存桶中能安全存放数十年，直至有条件将它掩埋。在这期间核废料不会对环境产生任何影响。这样即使没有一个用于处理核废料的长期计划，也能够轻易建立新的核电站。

并非所有人都对此持乐观态度。反核能组织“能源及环境研究所”（Institute for Energy and Environmental Research）的领导人阿尔琼·梅基耶尼（Arjun Makhijani），在2009年年初向委员会提出异议。他认为，假设未来会存在一个合适的储存点是十分不负责任的。科学意义上的“充分的理由”，必须有证据证明这样（用于长期储存）的设备确实存在，或者证明它们能够以现有的技术建造。然而梅基耶尼说，目前没有证据能够证明，现有的设备能够将核废料隔绝数十万年。

另一些人则反对在地面长期存放核废料。核电工业当然一致希望政府将核废料存于地下，眼不见心不烦。将核废料放在地表，也意味着给子孙后代留下一个大难题。“我觉得这是逃避责任，”麦克法兰说，“我们必须找到一个解决方案。”在地表存放就意味着需要制度约束，但她认为：“我们无法预知100年后的政府会变成什么样——甚至我们不知道那时还有没有政府。”

加速中子，轰击超铀元素

还有另一种解决方案：加速衰变链（decay chain）。利用一种在20世纪70年代被否决的设备，能够回收核废料中的钚元素，但是钚只是锕系15种元素之一。更合适的方法是工业级别上的“物质转化术”：利用新型反应堆使锕系元素发生裂变，转化为新元素（参见《环球科学》2006年第1期《巧用核废料》一文）。

通用电气公司目前致力于推广“快中子反应堆”（简称快堆）。这种反应堆利用高能中子（与一般反应堆中的中子没有本质区别，只是速度更快）使锕系元素分裂。通用－日立联合公司的核燃料部门高级副经理丽莎·普莱斯（Lisa Price）介绍说：“经过这样的处理，核废料的体积会减少约90%，半衰期从数十万年下降到1,000年以下。这也许能从根本上改善核废料的长期处理问题。”（这些计算中还假设了回收铀的再利用。而在传统反应堆中，这部分铀很难再利用。）

采用这种解决方案，每3至4座传统反应堆就需要建造一座快堆，才能处理它们产生的核废料。但重新开始建造这种30多年前的反应堆，是一个棘手的问题。围绕快堆的争论焦点是价格：快堆的冷却剂是熔融态的钠而不是水。与同等大小的传统反应堆相比，每个快堆的造价大约贵10亿到20亿美元（参见《环球科学》2008年第5期《危险的核废料回收》一文）。在小布什政府晚期，美国国会中的民主党议员削减了大部分快堆的资金，而奥巴马总统并不支持这些决定。

也许，尤卡山计划最终能够再度启用。美国能源部官员爱德华·F·斯波特3世（Edward F. Sproat III ）曾经在小布什政府时代负责尤卡山计划，他说：“39个州有高放射性核废料，有的是民用设施产生的核废料，有的是海军产生的，还有来自国防计划的高放射性核废料。”这些核废料“注定要被运往尤卡山，因为它们没有其他去处”。他和其他一些人争辩说，奥巴马总统和雷德参议院有权利削减尤卡山计划的资金，但是他们不能修改1987年关于《核废物政策法》的宪法修正案。修正案规定尤卡山是唯一的候选地点。他说，如果国会讨论另选地点，“每个人都知道其他州会转回来支持这个法案”。