環境與生態

核廢料何去何從?

如果能將核廢料分類儲存就可以節省空間,但不怎麼容易。

撰文/艾胥利(Steven Ashley)
翻譯/王道還

環境與生態

核廢料何去何從?

如果能將核廢料分類儲存就可以節省空間,但不怎麼容易。

撰文/艾胥利(Steven Ashley)
翻譯/王道還

美國生產核子武器製造的有毒廢料數以噸計,包括鈽、鈾、銫、鍶的同位素,以及現行的放射性物質處理添加劑,全都原樣不動地藏在美國能源部(DOE)三個處理中心的地下儲存容器與筒子裡。即使引起爭議的內華達州亞卡山永久處理廠已按計畫設置,也沒有足夠的空間可以容納所有的有毒廢料。(圖說︰華盛頓州的漢福處理場,技術人員正在更換一個100萬加侖儲存槽的馬達,放射性核廢料毒液正在他們腳下3.3公尺處。)


為了將核廢料塞入任何找得到的空間,核子科學家與工程師已經著手研究各種方法,將極為危險的廢料與風險較低的廢料分離開來。這樣做的目的,是將最高致命風險的高階廢料減量,這種廢料非埋入地下不可。而威脅較小的低階廢料可以置於接近地面的地下儲存設施中,這樣比較省錢。將放射性強的物質分離出來,使工程師能夠控制包含廢料的玻璃媒體所產生的放射性與熱能,提昇儲存設備的安全容量。


但是科學家發現,將壞的物質與不算太壞的物質分離開來,並不簡單。DOE有三個處理中心,分別是南卡羅來納州的沙凡那河、愛達荷國家工程與環境實驗室(INEEL)以及華盛頓州的漢福,各儲存了不同類型的核廢料,每種都必需使用特別設計的分離技術。


DOE環境管理局局長吉柏森解釋道︰「布希政府剛上台的時候,要求重新審查預算達3000億美元的DOE環境管理方案,按原來的計畫,這個方案要執行到2070年。處置高階廢料的預算中,花在前置處理或後續固化過程的錢就達到50%。」吉柏森說,去年他的單位花了大約1600萬美元,尋找提昇核廢料處理效率與降低環境風險的方法。


沙凡那河處理場的核彈廢料具有強鹼性,工程師過去以化學沉澱法將銫137從廢料溶液中除去,不幸這個辦法不能再用了,因為過程中會釋出易燃的苯氣體。橡樹嶺國家實驗室的莫耶是化學分離小組的領導人,他的團隊發展了一個比較安全的辦法,也許很快就能派上用場。他們的程序使用一種昂貴的「訂製」溶劑分子,叫作杯芳烴(calixarenes),它能夠選擇性捕捉銫,將銫從液體中除去。然後再用化學方法剝除杯芳烴上的銫,杯芳烴就可以重複使用了。


同時,不能溶解的沉澱物仍然留在容器中,其中含有鍶90與超鈾元素(比鈾重的放射性元素混合物)。以氫氧化鈉洗滌那些沉澱物,就可以除去其中體積較大的成分(如鋁),縮小沉澱物的體積。這時,已經萃取出來的鍶可以加到剩下的泥狀物中,然後將混合物加熱變成玻璃質(形成穩定的硼矽酸玻璃塊),封裝在不鏽鋼筒裡,再埋入地下。


愛達荷處理場遭遇的問題有點不同,那裡的核廢料儲存在筒子裡,是一種叫作「鍛料」(calcine)的酸性固體顆粒。INEEL的顧問工程師赫普斯特說,雖然分離銫、鍶、超鈾元素的技術已經問世,但是每一種都需要一套專門程序,成本因而提高,處理過程也太耗時間。INEEL為了尋找更好的辦法,正在研究一種單步驟化學萃取技術,在概念上與橡樹嶺使用的技術沒什麼不同。這種技術是俄羅斯聖彼得堡克洛平鐳研究所發展出來的,它使用三種相容的溶劑,可以同時作用。赫普斯特說︰「我們還不了解這個單步驟程序是怎樣運作的,但是值得繼續觀察,因為它比過去使用的三步驟程序會便宜很多。」


漢福處理的核子廢料最複雜,有許多核子燃料再生計畫的廢料混合在一起。工程師目前正在規劃一個兩階段離子交換過程,將具有放射性的銫與鎝從鹼性的廢料溶液中萃取出來。在這個過程中,以內填聚合樹脂珠的層析管吸附有害元素,然後再以酸液將那些元素從樹脂上除去。


不過,一個仍在構想階段的方法也許可以取而代之。自1998年以來,位於加州聖地牙哥的阿基米德技術公司已經發展了一個過濾法,利用的是原子量而不是化學性質。該公司的老闆吉爾蘭說,核廢料中99.9%以上的放射性同位素是重元素,他們的技術就是利用這個事實,而靈感是從核融合研究借來的。他們先以無線電波使廢料汽化,然後送入一個裝了稀薄電漿的磁瓶。在磁瓶中,放射電場會使電漿與大部分廢料離子沿著一個螺旋路徑繞行。輕的離子會處於磁場線中,跑到磁瓶的兩端。不過,特別調定的磁場抓不住較重的離子(就是有放射性的離子),它們就會灑在兩側壁上,以後可以清除。阿基米德過濾法應該是個產量很高的過程,因而可以節省時間與金錢,但是供實地測試的原型機要到2003年才能製造出來。


分裂原子已經導致許多長期的政治、環境與管理問題,而分裂廢物可望提供一點教人寬心的解藥。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2002年第5期7月號】