環境與生態

一平方公里換得永久安全?──低放射性廢棄物的最終處置

只要1~2平方公里大小的地方,就可以解決今後台灣約100萬桶的低放射性廢棄物,這可能辦得到嗎?透過「多重障壁」與生物圈隔離,真能確保低放廢棄物中的放射性核種300年不外逸?

撰文/楊嘉慧

環境與生態

一平方公里換得永久安全?──低放射性廢棄物的最終處置

只要1~2平方公里大小的地方,就可以解決今後台灣約100萬桶的低放射性廢棄物,這可能辦得到嗎?透過「多重障壁」與生物圈隔離,真能確保低放廢棄物中的放射性核種300年不外逸?

撰文/楊嘉慧

 經濟部在2008年8月底公告「低放射性廢棄物最終處置設施」潛在場址,預計將在台東、屏東或澎湖等三地中擇一,不過尚需經過縣民公投,才能確定國內低放射性廢棄物何去何從。然而,低放射性廢棄物最終處置場能確保不影響附近居民的安危嗎?


台電公司設立於蘭嶼的貯存場在1982年正式啟用,原本計劃將低放射性廢棄物暫貯存於壕溝中,之後再施行海洋投棄。然而為防止海洋污染,1983年倫敦廢棄物投棄公約(London damping Convention)規定,禁止各污染物投棄海洋。因此低放射性廢棄物便一直堆放於蘭嶼,目前存放約10萬桶。(影像來源:原子能委員會)



放射性廢棄物的分類及來源


 放射性廢棄物依其來源與放射性活度,分為高放射性(簡稱高放)與低放射性(簡稱低放)兩種。高放廢棄物是指核能發電運轉時用過的核燃料,或是用過核燃料經再處理所產生的廢棄物,其中仍有半衰期較長且持續發熱的核種,必須先冷卻,並等待其輻射強度逐漸降低。低放廢棄物是發電過程中所衍生的產物,輻射量較低。濕性低放廢棄物包括反應器爐水或廢液過濾產生的粉狀廢樹脂,以及廢液濃縮器產生的濃縮廢液,如硼酸廢液或殘渣等;乾性低放廢棄物則包括受污染的廢棄衣物、手套、機具等。

 台灣對於高放廢棄物的管理,目前採取的是廠內燃料池貯存方式,因此未對用過核料進行再處理以供二次使用,高放廢棄物均為用過核燃料,暫貯於核電廠的用過核燃料池中,未來核一廠及核二廠將改採乾式貯存方式以增加貯存容量;至於低放廢棄物的處置,則採取減少產出、減容固化的貯存方式。


固化廢棄物,防止核種外逸


 行政院原子能委員會放射性物料管理局局長黃慶村表示,低放廢棄物處置的基本概念是採用「多重障壁」,意思就是層層阻隔,防止放射性廢棄物外逸到生物圈,而其第一層障壁便是將放射性廢棄物固化,把核種封在固化體裡,使其不易受外力而變形,並防止因水浸漬而可能導致的放射性核種流失;另外,固化體便於運輸與貯存,其安全性也可提高。

 要如何把氣態、液態的廢棄物變成固化體?氣態放射性核種大多半衰期很短,只要盡量延長其滯留時間,讓其衰變即可,此外,廢氣中半衰期較長的惰性氣體,例如氙(Xe)、氪(Kr)等,可利用活性碳吸附,使之成為固態廢棄物,同時活性碳也能濾除顆粒狀的衰變產物,再將使用過的活性碳收集起來固化或桶裝;而液態廢棄物則可利用水泥或其他固化劑加以固化。乾性固態廢棄物為了降低貯存或處置的空間,固化之前還有一道壓縮容量的手續,如可焚化的固態廢棄物先經過焚化(焚化產生的氣體也得再回收),可壓縮的固態廢棄物如金屬則先壓縮,將廢棄物的體積盡量縮小後,再做成固化體。


在核二廠的低放廢棄物貯存倉庫中,黃色的鍍鋅鋼桶裡放著用水泥固化好的廢棄物塊。(影像來源:原子能委員會)


 最常用的固化劑為水泥,即廢棄物與適當比例的水泥調合而成,它會在液態時與廢棄物一起放入55加侖的鍍鋅鋼桶內,乾硬了就形成堅固的水泥塊。鍍鋅鋼桶是第二層障壁,鍍鋅是利用鋅容易氧化的特性,其氧化物可以形成保護膜,使鋼桶耐腐蝕,擋住從水泥固化體外逸的核種,但它最主要的功能是防止固化體因外力變形。鍍鋅鋼桶的壽命約只有15年,因此在處置長期安全評估時,都假設鍍鋅鋼桶已完全腐蝕,並不會計算其障壁功能。


再加三層障壁與生物圈隔離


 然而,無論高放或低放廢棄物,都面臨了最終處置的問題。黃慶村表示,目前台灣的低放廢棄物大都暫存於蘭嶼貯存場或核能電廠內,少部份醫院、工業、研究院等產生的低放廢棄物則放在原能會的核能研究所,未來若能找到低放廢棄物最終處置場,只需要1~2平方公里的面積,便能處置約100萬桶的低放廢棄物,並能有效防止核種外釋,方法是於處置場再增加三層障壁(見下圖),使其與生物圈隔離。


低放射性廢棄物最終處置場一般是建在地表下方數公尺處或於淺地深度100公尺內的隧道中,利用鋼筋混凝土窖、回填材料等障壁,將核廢料桶貯存於內,即可有效避免核種遷移長達300年。處置窖左下方還有一個檢查坑道,工程人員可隨時進入檢查核種是否外逸。(電腦繪圖:姚裕評)


 黃慶村解釋,處置場前兩層通稱為工程障壁,第一層是處置窖,利用厚實的混凝土處置窖,將廢棄物桶安置於內,廢棄物桶間的空隙並可填充水泥砂漿。第二層障壁是回填材料,包括膨潤土、砂及回填土等,放射性廢棄物放入處置窖後,四周會回填1~2公尺厚的膨潤土;膨潤土會吸附外逸的核種,同時也有吸水後膨脹而堵塞孔隙的特性,可避免雨水滲入而破壞工程障壁結構或將核種帶出。

 最後一層障壁乃是慎選最終處置場址。處置場址之選擇,必須符合場址安全條件之要求,例如不可設於活動斷層地帶,避免工程障壁因地震受損而導致核種擴散;該地的土質要有較強的核種吸附能力,地下水流速也必須比較慢,以確保核種不會進入人類生活環境。

 低放最終處置場設計壽命通常是300年,因為低放廢棄物中,半衰期最長的核種是銫137,長達30年,因此300年後銫137的輻射強度只有原來的1/1024,就不足以對生物圈造成影響。儘管已經有這麼多的安全設計,一般人對低放廢棄物還是會感到恐懼,也因此即使目前雖有幾個適合場址,仍需與當地居民長期溝通,才有可能為低放廢棄物尋得長久安置之處。



認識α、β、γ放射線


 放射性元素是指原子核容易發生衰變而產生放射線的元素。英國物理學家拉塞福(Ernest Rutherford, 1871~1937)依放射線發射的電荷及穿透力,將放射線分類為α、β射線。當放射性物質射出的是帶正電的粒子流(α粒子),則稱為α射線;若射出的是帶負電的電子流(β粒子),則稱為β射線。

 α粒子是+2價的氦離子(He2+),只要一張紙片或5公分厚的空氣層便可以攔截α粒子。β粒子是帶負電的電子,它可以在空氣中行進若干公尺,需要0.5公分厚的鋁板才能將它攔截。大部份的放射性元素不是放射α粒子,就是放射β粒子,有些甚至可以同時發射出這兩種粒子。

 在原子核進行α衰變、β衰變後,或經碰撞而處於激發態的原子核,還會發出γ射線。γ射線是一種波長比X射線更短、能量更強的電磁波,2.5公分厚的鉛板,也只能攔截一半γ射線。

 

α、β、γ射線的穿透力比較圖。α射線穿透力最弱,只要一張紙即可擋住;γ射線最強, 2.5公分的厚重鉛板也無法完全欄截γ射線。(電腦繪圖:姚裕評)


 放射性元素的衰變是隨機的,亦即完全無法預測什麼時候、哪一個原子核發生衰變,但某一種放射性元素的每個原子核都有同樣的衰變機率,因此當原子核數量非常多的時候,就可以用統計的方法,算出半數原子核發生衰變所需要的時間,稱為「半衰期」。

 原子核衰變成另一個核種後,如果仍具有放射性,就會繼續衰變,直到衰變成不具放射性的穩定元素為止。因此隨著時間增加,放射性核種會逐漸減少,這也是低放廢棄物最終處置場的工程障壁只要確保300年內安全無虞的原因。







延伸閱讀

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〈不能逃避的難題──核廢料處置〉,郭雅欣撰文,《科學人》2008年6月號

〈用過核燃料何去何從?〉,李敏撰文,《科學人》2008年6月號

《台灣放射性廢棄物史話》,翁寶山編著

高三課本《物理》下冊