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?放射性廢物處置的全球視角

來源:嘿嘿能源heypower 發布日期:2022-08-29

放射性廢物通常被認為是核能發展的致命弱點,但一種新的核廢物管理整體方法的出現,可以順利解決這種問題。


1、從全球角度看核廢物管理

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為了限制化石燃料的使用,核電的快速擴張至關重要——不僅在擁有核基礎設施的國家,而且在“無核”發達國家,甚至是技術資源有限的發展中國家。


盡管SMR等開發項目可能會提供大量選擇,這些裝置可以作為供應商運營的設施交付,但后端廢物管理通常被視為潛在的發展障礙——沒有任何實際理由。


盡管如此,鑒于應對氣候變化的迫切需要,這可能是從全球角度重新評估廢物管理的一個好時機。


盡管反對者經常將放射性廢物視為核能的致命弱點,但從技術角度上來看是不正確的。


事實上,這種能源的一個積極方面是廢物量小,可以嚴格管理。反對者過去曾強調,在處理高放射性廢物方面存在拖延,但沒有注意到其他核廢物處理方面的進展。


世界各地有許多地表/近地表設施,甚至美國新墨西哥州也有軍用超鈾廢物(TRU)處置場。


此外,為了便于廢物處理,允許通過衰變冷卻的臨時儲存,意味著只有在未來幾十年才需要此類地表儲存庫。


在這種情況下,芬蘭和瑞典已經獲得了施工許可證,法國和瑞士等國也將很快獲得施工許可證。


如果存儲庫選址計劃被打亂,例如在英國、德國或美國,這通??梢詺w因于缺乏政治承諾和尼姆托(NIMTOO)效應——“不在我的任期內”,而不是任何基本的技術問題,甚至是當地的“不在我后院”(NIMBY)反對。


大量研究表明,在廣泛的地質環境中,地質處置更多放射性有毒廢物是可行的。


這種方法達到了低得離譜的安全目標,比自然背景水平低幾個數量級,評估時間跨度極長,長達數千年甚至數百萬年。如下圖。

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處理玻璃化高放廢物計算的典型輻射劑量(www.numo.or.jp)


這與其他化學毒性廢物形成了鮮明對比,這些廢物的釋放限值高于背景值幾個數量級,并且僅在數百年或更短的時間范圍內進行評估。

微信圖片_20220829152927.png

處理TRU計算的典型輻射劑量(見www.numo.or.jp)


盡管這種方法沒有像放射性廢物那樣衰變的可能性,但這些廢物將一直存在。


事實上,全球氣候變化威脅可直接歸因于化石燃料行業缺乏適當的廢物管理。


此外,根據《與自然和平共處:應對氣候、生物多樣性和污染緊急情況的科學藍圖》報告,廢物污染現在已被聯合國確定為全球關注的問題,與氣候變化和多樣性喪失一樣。因此,也應從這一角度看待為放射性廢物制定的良好做法。


2、需要改變觀念

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地下核廢物儲存庫可發揮多種廢物處置功能。


雖然這在早期不是一個問題,但近幾十年來,人們一直認為,受益于核電的國家,應負責安全管理產生的核廢料。


這通常被視為一個道德問題——但與其他廢物形成鮮明對比,因為這些廢物大量出口到其他通常較不發達的國家。


這也不符合鈾礦開采產生的廢物與核燃料循環中的所有其他放射性廢物脫鉤的事實——廢物由礦石生產商而不是最終的核燃料使用者負責。


此外,盡管某些行業(特別是石油和天然氣)產生大量放射性物質,其放射性毒性相當于某些高放射性中間水平廢物(ILW),但它也與天然放射性物質的處理(NORM)不兼容。


在更高級的程序中開發的許多存儲庫概念設計過度,它們通常是專門為有限庫存而建造的結構,挖掘在地下深處,其特點是高性能的工程屏障。


盡管涉及的廢物量很小,但此類設施往往占地面積很大,達數平方公里,并使用大量材料。這些材料通常具有內在價值,例如銅,或難以使用,需要遠距離運輸,如膨潤土。


顯然,這些概念是在可持續性和碳足跡等問題被確定為關注點之前制定的,因此從環境影響角度來看表現不佳。


此外,儲存庫實施者最初只負責放射性廢物的處置,在某些情況下只負責特定廢物類別。


因此,沒有考慮放射性廢物和其他危險材料的共同處置。到目前為止,整體廢物管理的潛力幾乎沒有得到考慮。


高活性廢物的儲存庫可以很容易地接收更多類型的廢物,只需相對較小的修改。


當然,為了實現此選項,在最終確定存儲庫項目之前需要仔細考慮,或者更好的是在啟動存儲庫項目前考慮這一問題。


由于許多已經接近實施儲存庫的國家也可能是其他較不發達國家的SMR供應商,因此,如果它們同時承擔所有由此產生的退役和廢物處理的責任,考慮這一問題也是有必要且明智的。


在過去,這一選擇一直是政治上的燙手山芋,因為反對者向公眾展示了這一點,一個國家純粹出于商業原因被用作全球核垃圾箱。


然而,如果將其重新表述為減少二氧化碳排放的承諾,并與碳信用的公平分配掛鉤,這可能會更容易接受。在這方面,良好和明確的公共溝通將是關鍵。


3、整體廢物管理方法

00.jpg瑞典建造首座核廢料儲存庫


如果主要核國家無法找到接受外國廢物的政治途徑,另一個選擇是讓較小的國家專注于區域共享設施——正如歐洲一些較小的核項目已經提出的那樣。


這不僅是一種成本效益高的方法,而且從環境和可持續性角度來看也是非常合理的。


在這方面,最大的挑戰是找到一個區域儲存庫的東道主,但同樣,如果重點放在碳信用而不是商業方面,那幺,對于中國等可能難以實現碳減排目標的國家來說,建立區域儲存庫可能是一個受歡迎的選擇。


即使沒有區域儲存庫選項,如果以整體方式考慮廢物管理,本地解決方案也可能是可行的。


盡管大多數儲存庫實施者認為這是一種詛咒,但對所有有問題的廢物進行地質處置有很好的技術依據,共享設施將大大提高相對較小的放射性廢物庫存管理的實用性(和成本)。


在這方面,如果國際組織能提供更為務實的指導方針,而不是有助于促進設計過度的盡可能低的合理可行(ALARA)方法,這將有所幫助。


合理化設計的一個根本問題來自于制度慣性和一個共同的假設,即研究了幾十年的選項必須是最優解決方案。


這是沉沒成本謬論的一個版本。例如,KBS-3V概念是在20世紀80年代早期為處理斯堪的納維亞結晶巖中的乏燃料而開發的,它仍然被視為在不同地質環境中處理高活性廢物的一種黃金標準。


在開發時,采用了極高性能的工程屏障,以覆蓋地質環境理解中的不確定性,同時沒有考慮高質量水平的實際實施,也沒有討論可持續性或環境影響(EIs)。


雖然瑞典和芬蘭可能實際實施了這種垂直孔內安置概念稍加修改的版本,但這對于其他國家方案中的邊界條件可能沒有任何意義。


僅考慮到廢物容器所需的銅質量,對于第一個儲存庫的參考,日本高放廢物(HLW),僅此材料的成本就為≈8億美元(相比之下≈400萬美元的鋼鐵價格),而不增加任何性能方面的好處。


此外,構造和密封銅罐需要先進的技術,如攪拌摩擦焊接,這進一步增加了成本和相關EIs。


4、對傳統處置的反思

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不斷演變的存儲庫概念


從質疑“傳統”處置方案的出發點出發,利用當前關于深層地質條件、工程和材料技術,以及安全評估方法的知識庫,可以探索廣泛的處置概念。


這些概念中的每一個都允許對特定邊界條件進行廣泛優化。如上圖。


對于專門建造的儲存庫,更多地考慮地質屏障,會傾向于隧道內安置方案,用鋼代替銅作為罐材料,并且當使用預制工程屏障系統(EBS)模塊(PEM)時,允許更高的安置密度。


與傳統概念相比,這將使所需的破碎巖石體積大約減少一半,減少通風和排水要求,并降低與實施相關的復雜性和風險。


此外,由于容器處于大致等靜壓下,因此可以采用非常低技術的密封選項,如旋蓋。


如果考慮處置拱頂而不是隧道,則可以擴展該方法,從而允許更高的安置密度,并可能安置大型多用途集裝箱(MPC)。


如果MPC已經用于運輸和臨時儲存,并且如果不重新利用,最終將需要作為廢物進行管理,則此選項尤其有利。

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核廢物管理的替代方法是可能的。


隨著安置密度的增加,熱管理成為一個更大的問題——在某些情況下,導致在回填地窖之前需要延長開放“儲存”期的概念。


然而,如果使用熱泵技術,這種熱量也可以被視為一種積極的方面。這提供了一種無碳能源,可以在一定程度上抵消儲存庫建設和運營的其他能源需求。


如果引入更廣泛的廢物管理視角,可能會帶來更多好處。


核退役是一項主要的后端活動,產生大量低放射性污染物質,通常被宣布為廢物。


然而,核鋼可以回收用于建造廢物容器或多用途罐——特別是如果所有操作都是遠程處理的,且鋼的小輻射水平無關緊要。


一系列其他退役廢物也可用于地下開口的回填,而不是目前考慮的二氧化碳排放量特別大的專業粘土和混凝土。


甚至在隔離安置區方面發揮作用的塞子,也可以被核鋼艙壁取代——在發生擾動時可能具有更好的功能和故障保護選項。


事實上,還有許多其他非核廢物可以從深度處置中受益,而不是像經常發生的那樣,從近地表傾倒中受益。


即使將此類廢物納入處置區域過于復雜,處置庫設計通常包括大量的通道、豎井和坡道,這些通道、豎井或坡道在放置廢物后簡單回填。

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不同放射性廢物處理方案的優缺點。


例如,在參考日本高放廢物儲存庫中,可能是≈1-200萬m3。此處可能包含的潛在廢物是那些不太可能顯著干擾地質屏障作用的廢物,如石棉和重金屬等材料。


最后,可以重新考慮是否需要建造一個特別處置設施。


過去曾考慮過在廢棄礦井中處置放射性廢物,例如在德國的莫爾斯本,這已經成為國際化學毒性廢物處置行業的基礎。


從全球燃料循環的角度來看,應注意到某些鈾礦被用作處置設施的特殊好處。從地質角度來看,這些礦坑不僅可能特別適合,因為它們已經包含了數百萬年的鈾礦石,而且與從頭開始建造的礦坑相比,使用現有的礦坑可以大大減少碳足跡。


同樣,由于許多鈾生產國在實現碳減排目標方面做得不好,任何對減少全球氣候擾動的貢獻都可能是一個有利于公眾接受的論點。


應強調的是,不存在適用于所有應用程序的“最佳”處置方案,為了向前推進,應針對具體的計劃邊界條件評估不同變體的利弊。


除上述概念外,還可能有其他變體,例如在深井中而不是在常規儲存庫中進行處置。


然而,這種方法可能僅適用于特殊條件,如少量廢物庫存和有利的邊界條件。在處置設施的詳細設計和實施方式方面,非常廣泛的可用選項也為優化提供了相當大的靈活性。


5、廢物處置的未來展望

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瑞典核燃料和廢物管理公司


從根本上講,與全球變暖相比,放射性廢物處理設施的風險微不足道——應該將核擴張的討論放在整體大環境來看。有道德義務確保以盡可能負責任的方式管理所有廢物。


以整體方式考慮廢物管理突出表明,如果我們能夠打破現有模式,可以獲得巨大的好處。


然而,這需要改變實施和監管組織的制度文化,還需要對決策者進行教育,使他們能夠以無偏見的方式考慮相關的技術和社會政治問題,擺脫過去的先入為主的觀念。(完)


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