核废料的存储模式令人担心;盐矿床是核废物处置的创新方案吗?

核废料的存储模式令人担心

最新研究表明，受材料间相互作用方式的影响，美国和其他国家计划用来储存高放核废物的材料的降解速度，可能比以前人们了解的都要快。

这些发现发表在《自然材料》上，它们表明，由于储存核废物的材料发生化学上的变化，以及受材料间互相作用的方式所致，这些材料的腐蚀会加速。

该研究的首席作者是俄亥俄州立大学核废物形式和容器性能和设计中心的副主任Guoxiaolei，这个中心也是俄亥俄州立大学工程学院的一部分。他说：“研究表明，目前的方式可能不足以保持这些废物的安全储存。这说明，我们需要开发一种新方式来储存核废物。”

该团队的研究重心集中在储存高放核废物的材料上——这些废物主要是过去核武器生产遗留的军工废物，具有高放射性。虽然有些废物半衰期约为30年，但也有一些其他的——例如钚——半衰期可以达到数万年。放射性元素的半衰期是一半物质发生衰变所需的时间。

目前，美国没有这些废物的处置地点;根据美国总问责局的说法，通常储存在产生它们的核设施附近。人们提议在内华达州Yucca山选一个永久选址，但是这个计划已经搁置。世界各国在就核废物处理的最佳方法方面思考很多;但只有一个国家，芬兰，已经在建设一个高放核废物的长期储存库。

但是，对于军工产生的高放废物，各国处置和储存的长期计划基本相同。这包括将核废物与其他材料混合制成玻璃或陶瓷类型的材料，然后将这些已经带有放射性的玻璃或陶瓷装入金属罐。此后，为了隔离，这些罐会被埋入地下储存库中。

在这项研究中，研究人员发现，当暴露在水环境中时，玻璃和陶瓷会与不锈钢发生相互作用，导致腐蚀加速，特别是对于那些含有核废物的玻璃和陶瓷材料。本研究定性地测量了储存材料加速腐蚀和自然腐蚀之间的差异。Guoxiaolei把这个差异描述为“很严重”。

他还说：“现实中，玻璃或陶瓷废物会与不锈钢罐紧密接触。特定条件下，不锈钢的腐蚀会变得很严重。它产生了一个极具腐蚀性的环境，会腐蚀周围的材料。”为了分析腐蚀问题，研究小组将玻璃或陶瓷废物——采用核废物封装原本的形状——压在不锈钢上，并模拟尤卡山的环境条件，将它们浸泡30天。

根据这项研究中的实验，当玻璃和不锈钢相互挤压时，不锈钢的腐蚀是“严重的”和“局部的”。研究人员还在与不锈钢接触的那部分玻璃上发现了裂纹和腐蚀增强。部分问题要从元素周期表中寻找答案。不锈钢主要由铁与其他元素混合而成，包括镍和铬。铁对硅有化学亲和力，而硅是玻璃的关键元素。

实验还表明，在模仿尤卡山条件的条件下，对于另一种潜在的核废物载体，陶瓷，当其被压在不锈钢上时，陶瓷和不锈钢都会有严重的局部腐蚀。

盐矿床是核废物处置的创新方案吗?

世界各地都有堆满核废物的水池，这些废物还在等着它们最后的“安息之地”。这些废物是核能发电在几十年间产生的，必须谨慎处理和处置。

在美国，科学家们正在研究几种处理这些废物的解决方案。Phil Stauffer和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员，一直在与美国能源部和其他国家实验室合作，以开发一种长期的、安全的处置方案：盐矿床。

Stauffer说：“美国已经存在的深盐层，是长期处置的候选者之一。这种‘高放射性’核废物除了产生必须包容的放射性外，还会产生大量的乏热。我们需要开发一条明确的路径来处理这些废物。”地下存在盐矿床。它们会自我修复，渗透性非常低，导热良好。所有这些都对核废料释放自然热很重要。盐可以成为放射性核素长期释放到人类环境中的绝佳屏障。

美国和德国正在盐矿床类的储存和处置库中处置中低放核废物。这些废物不会产生那么多的热量。因此，确定盐矿床对高放核废物的安全性和有效性，还需要更多的研究。但是，盐不仅是一种物理屏障，它也是一种化学屏障。因此，需要研究这些盐矿场会与水、热和其他地质因素产生何种反应。

最近的地下热测试始于创建一个完整尺寸的废物实物桶，并将它加热近一年。这是自20世纪80年代末以来，美国首次开展这类试验。

与此同时，美国能源部的研究团队正在开展一项活动，研究核废物储存库的通常特性。这包括研究在盐中水如何向热源迁移。Stauffer 和团队其他成员一起加入了“盐中卤水可用性测试”(或称为BATS 项目)。这个研究团队在几年前开始了一个试点项目。

通过在盐矿厂中钻孔、并利用加热器对这些处于盐里的洞进行测试，研究人员很有发现，为决策提供了信息。测试发生在地下深处，是在大型钻机设备挖出的被称为走廊的坑内。

阶段1s(s代表预先准备)于2018年夏天开始，历时近一年。Stauffer说：“在这次初步测试中获得的经验教训和取得的认知，都正在被证明对下一个大规模实验的设计和实施至关重要。”此外，研究人员可以利用计算机建模来预测一些结果。Stauffer说：“长周期建模可以用来为钻孔研究合适的初始压力和其他重要的因素”。这些因素包括温度的响应和水的有效性。

阶段1于2020年1月开始，将持续数月。它将涵盖更复杂的数据收集，包括光纤电缆、电阻率断层扫描以及盐水蒸发实时同位素测量。

在BATS 项目的未来阶段，将对盐水的可用性进行研究。下一个实验的数据将用于进一步完善模型，并将与国际研究界共享实验数据。根据项目计划，加热器实验的规模将逐步扩大，从而最终探索出乏燃料废料罐在盐水的可用性，而这是高放废物处置库的一个可能的未来。