“核能复兴”重提,废料问题待解

2022-05-27 09:34  来源:世界说    核废料  放射性废物  核燃料

说到核能,至少在一件事情上所有人都能达成一致:处理核工业的危险放射性废物是一个紧迫的全球问题。


说到核能,至少在一件事情上所有人都能达成一致:处理核工业的危险放射性废物是一个紧迫的全球问题。

核反应堆的放射性残余物(即高放废物)大量积压,需要进行安全、永久地处置。核能行业号称自己对于解决气候危机以及在不断变化的地缘政治格局中保障能源安全至关重要,而核废料的处置不仅是其面临的一个重大挑战,也阻碍了社会对核能的接受。

尽管复杂而昂贵的深层地质储存库才刚刚起步,但目前许多人却将其看做是未来处置乏燃料和其他核废料的黄金标准。那些号称在这一领域取得了进展的国家的核工业将被看好。

例如,芬兰正以建设安克罗(ONKALO)核废料储存库为基础,大幅提高核能在其能源结构中的份额,并声称,这些计划是负责任的,因为它足以应对核工业最大的挑战之一。" 安克罗 " 是世界第一座深层地质处置场,将于 2025 年投入使用。

相比之下,据美国核废料问题专家组称,建设此类处置场在美国(目前世界上最大的核能生产国)陷入僵局阻碍了其核能的进一步发展。

" 在开发和运行地质储存库方面缺乏进展……削弱了核能作为零碳未来的一部分所发挥的缓解气候变化的潜在效益," 美国核废料技术审查委员会 2021 年 4 月在给国会的报告中写道。

虽然有望出现解决核废料问题的新技术方案,但新出现的问题,如乏燃料的放射性增加,正在使核废料的储存和处置前景进一步变得复杂。

扩大核能应用的推动力

由于几个关键因素,一些人认为核电对于经济脱碳至关重要。

首先,在运行阶段,核电站的温室气体和其他空气污染物排放接近于零。其次,它们提供的是太阳能和风能等间歇性可再生能源无法提供的基荷发电。最后,它们支持可再生能源,而不是与之竞争,因为核电站有适应需求负荷不断变化的能力。

支持和倡导核能的国际原子能机构(International Atomic Energy Association,简称 "IAEA"),最近用 2020 年的核电站数据强调了最后一点。由于疫情,2020 年度的电力需求比平时波动更大。

IAEA 在 2021 年 6 月发表的一份报告中说:" 核电站运行灵活,在某些情况下甚至可以短期彻底关闭,从而支持电网运营商的需求,并证明了核电能够融入未来可持续能源系统。"

IAEA 预测,到 2050 年,核能发电能力将翻一番,达到 792 吉瓦,而 2020 年为 393 吉瓦。尽管这一乐观情境需要采取重大行动才能实现,但核废料的处置却是一个迫在眉睫的问题,而且无论核电装机容量达到模型预测的低点还是高点,这个问题都会变得更加紧迫。

地质处置仍是黄金标准

国际社会的共识是,高放废物最终应在地下深处进行处置,而进行深层地质处置的场所能够让高放废物在遥远的未来仍能与地表和大气隔绝,因为乏核燃料在数十万年内仍具有危险的放射性。

受芬兰政府委托进行核废料最终处置的 Posiva 公司表示,芬兰是第一个在建此类设施的国家。该设施将于 2023 年开始试运行,并将在 2025 年开始乏核燃料的最终处置。

安克罗核废料储存库位于芬兰西海岸的奥尔基洛托核电站(Olkiluoto nuclear power plant)附近。该储存库建在深度为 400 至 430 米的基岩上,采用的是瑞典开发的一种称为 KBS-3V 的处理方法。这一方法采用了目前被视为国际标准的多重屏障系统。

处置过程的第一步是将单独的核废料管积攒成一个更大的 " 捆 "。然后将这些捆成批放入铸铁罐中,外部为 5 厘米厚的铜,以保护内部不受腐蚀,并将其放入设施的地下部分。在那里,铸铁罐被移动到一个隧道区域,被垂直放置在基岩的单独钻孔中,周围盖满膨润土。这种粘土遇水膨胀,从而进一步密封容器。一旦每个隧道下方的区域达到容量,就用膨润土回填,并用混凝土密封。

这一过程的大部分操作将使用专门为此设计和制造的远程控制设备进行。

随着其他一些国家在地质处置方面的努力取得进展,芬兰的开创性设施将作为一个可行之策而受到密切关注。

1 月 27 日,瑞典政府批准了瑞典核燃料和废料管理公司(Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company)的一项计划,即在斯德哥尔摩以北 140 公里的福斯马克(Forsmark)建造一个最终地质处置场,那里也有一座核电站。动工之前需要获得建筑许可证,但据报道,该场地已获有关市政当局的正式批准。

法国宁静的东北部村庄布雷(Bure)附近计划建造一处深层地质处置设施——工业地质处置中心(Industrial Centre for Geological Disposa,简称 "Cigeo")。该项目目前正在进行第二阶段的公共协商,但遭到反核抗议者的强烈反对。据法国国家放射性废物管理局(Andra)称,该项目已经考虑了 30 年,目前计划于 2025 年开工。

此外, 英国、加拿大和瑞士的选址工作都进入了最后阶段,这一过程在一定程度上取决于公众咨询和社会认可。

基于同意的流程

政府和私营部门努力让地方市政当局参与基于同意的选址过程,重点是获得拟建放射性废料处理设施周围居民的同意。理想情况下,这个过程包括政府努力做到透明,允许社区权衡容有这样一个设施的潜在机遇和风险,并公平对待所有人。

引导公众参与 " 需要大量的时间和正确的技巧 ",来自加拿大、芬兰和瑞典的官员和专家在 2021 年 9 月为美国国会准备的核废料报告中是这么对美国政府问责署(US Government Accounting Office,简称 "GAO")说的。报告详细介绍道,在选择永久性地质封存地点之前,加拿大、芬兰和瑞典分别花了近 20 年、17 年和 30 多年时间教育公众和引导他们参与。

在不需要基于同意程序的国家,地质处置正取得进展,尽管如此,目前两种程序下,处置场能够实现实际运营的时间表并没有太大的不同。

2021,中国在甘肃省的一个地下实验室破土动工。科学家们将在那里研究该地点是否适合进行乏燃料的地质处置。该实验室将位于戈壁沙漠地下 560 米的花岗岩基岩中。如果经测试认为该地点适合作为地质处置点,这一综合体可能会在本世纪 40 年代建成,并于 2050 年开始运行。

与此同时,俄罗斯目前也在建造一个类似目的的地下研究实验室,地点在该国中部西伯利亚城市克拉斯诺亚尔斯克(Krasnoyarsk)附近。俄罗斯初步认为那里适合进行地质封存。

处置的替代方案

考虑到地质处置施工所需的时间和成本,以及极端复杂性,一些国家正在寻求中期解决方案,即所谓的综合临时储存。

这些大型核废料临时处理设施设计运行寿命长达数十年,直到地质处置得到更广泛的应用,同时还通过集中储存,减轻高放核废料多地存储的核污染扩散风险。临时场地将拥有先进的功能和技术,能够安全地储存废料桶,即目前用来存储大多数核废料的密封圆筒。地点也是选在比通常存放废料的反应堆所在地风险更低的区域,位于远离海岸线、地质不活跃的偏远位置。

美国有大量乏核燃料(截至 2019 年为 8.6 万吨)目前储存在核电站。该国正在建设两个私营乏核燃料临时储存项目:霍尔泰克国际公司(Holtec)在新墨西哥州的 HI-STORE 设施,以及在德克萨斯州的临时储存合作伙伴项目(Interim Storage Partners ’ project)。然而,该国的最终处置方案一直缺乏进展,进而可能会妨碍公众接受临时地点。

哥伦比亚大学全球能源政策中心(Columbia University Center on Global Energy Policy)的马特 · 鲍恩(Matt Bowen)今年 1 月写道:" 各州可能会更犹豫是否在其土地上接受一个统一的临时设施,担心如果没有最终处置场,‘临时’将变成长期的。"

储存和处置的安全隐患

一个新出现的关键问题是当代核燃料的放射性水平较高,以及这是否会带来比传统核燃料更大的风险。

目前单位核燃料产生的平均热能比早期的核反应堆有所增加,导致乏核燃料的 " 燃耗 " 更高。美国核废料技术审查委员会(US Nuclear Waste Technical Review Board)2021 年 7 月向美国国会提交的一份报告解释说,更高的燃耗降低了该行业的燃料成本,但它导致核废料更具放射性,并且随着衰减其释放的热量比低燃耗核废料更多。

该委员会的报告称," 对低燃耗燃料进行的广泛研究使人们相信,低燃耗燃料可以长期储存和运输," 但强调,高燃耗燃料并非如此。

该报告称,人们对燃料及其燃料棒组件在更高燃耗水平下的化学和物理特性变化并不十分了解。这些不同的特性可能会增加储存容器覆层的腐蚀和脆化,增加容器或罐内的压力积聚,并在储存、运输和处置过程中产生其他可能特别令人担忧的变化。

另一个悬而未决的关键问题是,几十年来一直存放在容器中等待运输或放入地质处置场的核废料可能需要重新包装,从而带来潜在的严重风险。

政府和业界声称,新的核废料技术解决方案即将问世,这在一定程度上决定了核能进入新时代的势头。但是,这些技术能否以必要的规模实现仍然存在挑战。人们无法低估现有和未来的放射性废物管理难题,这将最终影响该行业的未来前景。



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