高放废物的处理和处置

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1、23美国能源部大型废物管理项目拉动 地区经济 Michael Greenberg, David Lewis, Michael Frisch 美国 Rutgers 大学 摘要 利用经济模型研究了美国能源部萨凡纳河核武器场址的四种废物管理技术方案将带来的地区与跨区域经济影响 对这四种经费至少为 10 亿美元的技术的经济模拟覆盖了 2000 年到 2015 年的时间段 分析表明 由于 1不同技术在设计 测试和建造阶段的差异 2 设计与中间测试场所的差异 和 3 技术 投资 者 的 不同 项目经费的高低没有直接反映在对地区经济的影响上 1 引言 全美国每年都要设计和建设许多废物管理项目 据 EPA 环

2、境保护局 估算 美国每年花在环境保护方面的 1000 多亿美元几乎全都用在了净化和保护水 空气和土地 使其免受污染的废物管理上 1,2 这大约相当于美国国内生产总值的 2.5% 而这个比例在 1972 年仅为 0.9% 废物管理支出得到了公众强烈的支持 2000 年 4 月第三十届地球清洁日期间的一次盖洛浦民意测验表明 人们对土壤和水的污染 河流 湖泊和水库的污染 饮用水以及许多其它环境问题非常关心 3,4 2000 年 64%的美国人对土壤污染 水和有毒废物问题表现出 极为关注 绝大多数美国人也不愿意以牺牲环境方式增加就业和地区生产值 1984 年 认为环境保护优先于经济发展的美国人占61%

3、 而 2000 年 4 月 这个比例进一步上升到 67%3,4 在美国的一些地区 为环境保护投资并不 仅仅是 个别领导者对公众投票结果的响应 在五个拥有能源部 DOE 大型联合企业的地区 废物管理即便不是最大的 也是规模处在前列的产业 美国 DOE 在 90 年代期间每年的环境管理预算金额通常都接近 60 亿美元 5 7 这其中约 70%都 分派到了下列五个场址 汉福特 华盛顿州 萨凡纳河 南卡罗来纳州 爱达荷国家工程和环境实验室 INEEL 爱达荷州 洛基高放废物的处理和处置 24弗拉茨 科罗拉多州 和橡树岭 田纳西州 过去的研究表明 汉福特 萨凡纳河和INEEL 场址附近地区 的地区生产值

4、的 4% 8%和 17%分别 来源于 DOE 的环境清污项目 5 DOE 环境管理投资的其余 30%则覆盖着其他 100 多个场址 在研究中还发现DOE 预算的每次变化总会给这五个大型场址附近的众多个县带来显著影响 8,9 尽管这些地区也和其它地区一样发展着多元化经济 但还是强烈地依附于 DOE 的投资 在注意到大型废物管理场址带来的经济影响的同时 还应发现 仅仅考虑场址所在地区受到的经济影响是不够的 这是因为 DOE 场址经常在某些项目建设上进行合作 在这种情况下 本论文中使用了一种跨区域经济模型来估算南卡罗来纳州萨凡纳河核武器场址建设和运行高放贮槽中盐类废物管理设施带来的影响 促使作者进行

5、这一研究的因素有两个 第一 场址 有法律责任 从高放贮槽中取出废物并提交一份照顾到各种情况的环境影响报告 EIS 这一 EIS 中包括给邻近地区带来的经济影响 自从萨凡纳河场址 RSR 的场址管理被组织起来以后 EIS 的经济部分也开始起步 于是作者可以从中了解到比理论研究更多的有关潜在经济影响的情况 第二 本文作者来自多所院校组成的协会 进行利益相关者问题的研究 场址所在 地区 的 居民和 DOE 场址职工 也在研究对象之列 与 DOE 场址管理者的讨论 使 我们更加确信 这一废物管理问题的经济研究将有益于这个地区 以及 DOE 场址 这样我们同意进行研究 后 DOE 方面也答应提供 有关

6、这些技术的背景数据以及 相 关问题的咨询 2 废物管理面临的处境 把生产堆中的核燃料和靶 件 溶解在酸中进行化学处理 从 乏燃料 中分离出钚和铀的过程产生了高放废物 HLW 由于其毒性 法定 的 管理办法 以及处理所需的大量经费 HLW 成为一项巨大的工程任务 1982 年的核废物政策法案 42 U.S.C.A.要求对这些废物进行永久隔离 这些废物中的大部分有 50 年以上的半衰期 所以至少要和外界隔离 100 到 400 年 为防止 在一个世纪或更长的时间内 发生泄露 要进行大量的计划和监督工作 一些像钚这样半衰期为数万年的危险产物也大大提高了对工程人员和决策者的要求 美国法律要求能源部建立

7、设施 达到保护公众免受 HLW 危害的目的 美国环境保护局 EPA 则 负责发布规范 使 公众免受场址泄露 事件的危害 汉福特 华盛顿州 和萨凡纳河 南卡罗来纳州 核武器场址的 200 多个贮槽中贮存了全美 95%的HLW10 另外还有 DOE 场址爱达荷一小部分 以及西谷 纽约州 一处场址原属私有 现在由 DOE 负责的 HLW 贮槽中既有固体 也有泥浆和液体 例如 萨凡纳河51 个碳钢贮槽中的 48 个贮有高放废物 每个含有 300 500 万升 11,12 为了让废物呈碱性 而 降低对碳钢容器的腐蚀 还要在 HLW 进入贮槽前向其中加入氢氧化钠 这样25废物有很高的 pH值 14 以及钠

8、 的 含量 使管理变得更加复杂 11,12 DOE 的放射性废物管理办法已要求不再建地下贮槽 于是 DOE 希望把这些废物转变成稳定不溶的固体形式 这一计划需要将混合并固化的废物运往内华达州尤卡山处置库 而 受到 了 内华达居民强烈反对 并已经成为一个全国性政治问题 倘若 计划最终获得批准 这些废物罐将被深藏在岩石里开凿的洞井中 并保证放射性物质迁移的可能性最小 13 15 低放废物则混入水泥 炉渣与飞 灰 的混合体中 泵入地上混凝土室 在 那里形成称为 盐石 的混凝土状的混合物 如果尤卡山未能运行 合理的假设是若干年后这些高放废物容器仍将留在原地 虽然没有最后解决尤卡山 问题 但 DOE 的

9、环境管理已经得到了部分的执行 例如DOE 已经在萨凡纳河场址 SRS 建立了一座玻璃固化工厂 国防废物处理设施DWPF 将废物与硼硅酸盐玻璃混合加热到 1150 使之融入玻璃基质 再存入不锈钢罐 装填完毕后 这种带有较高放射性的容器重 约 1700 kg 目前尚就地存贮 这座 DWPF 耗资 20 多亿美元 1996 年 5 月开始营运 已经处理废物 850 罐以上 16,17盐石设施已 经 对约 10000 m3 盐溶液进行了处理 生产了约 230000 m3 盐石灰浆 值得注意的是 SRS 场址中 51 个 HLW 地下贮 槽已于 1997 年封闭了 2 个 18 这表明 DOE已经有能力

10、 建设运行 解决 HLW 槽贮废物问题的设施 在 尤卡山场址问题受到极大关注的同时 DOE 也遇到了 HLW 计划其它方面的技术问题 包括贮槽管理 DOE 尚不能成功提出在贮槽中从低放废物里分离出全部高放组分而不产生其它潜在危险的技术 1981 年 能源部开展了一项计划 在处理前 将废物 分成两部分 泥浆和盐类 分别进行玻璃固化 11400 m3 泥浆经洗涤后运往 DWPF进行玻璃固化 剩余的 150000 m3 含盐废物需进一步处理 从大体积 的 溶液 中 分出放射性物质 得到 的高放 部分送往 DWPF 进行玻璃固化 低放部分送往盐石设施进行灌浆 这一泥浆处理工艺成功地建设 起来 以后 从

11、 1995 1996 年间开始实际运行 目前仍不断把废物运往 DWPF 然而分离含盐废物中的高放和低放组分的工艺导致了高于预先估计的 苯基 危害 在进一步考察中还发现这一工艺不能有效满足生产需要和安全需要 1999 年 5 月 DOE 宣布了正在进行研讨的 其它 140 种 方法 11,16,17 后来缩减到了4 种 作为本研究的重点 将其简述如下 11,12,16 20 2.1 小贮槽沉淀法 小贮槽沉淀法是用四苯基硼酸钠 NaTPB 的沉淀反应将铯 -137 从大批含盐废物中分离出来 这一方法是在较小尺度上对以前放弃的槽内沉淀技术的修改 另外 小贮槽沉淀法将以连续生产方式 而不是批次生产方式

12、运行 铯分离出来后 高放射性的泥浆经过洗涤达到玻璃固化厂的要求 低放射性的物质则送到盐石厂 这一方法的问题是它与旧方法存在继承关系 导致了可信度的问题 262.2 灌浆和铯封装法 灌浆和铯封装法是将所有含盐废物转化为灰浆 也就是说 含盐废物 不经过 铯 -137的 浓缩或分离而 被 直接送往盐石厂 优势是 这项技术 在四种方案中 有 最成熟的 经验从场址的前途来看 最主要的环境问题就是废物中将包含 HLW 液体放射性的三分之一 需要在 SRS 高度保障下贮存 100 到 400 年 出于这一目的还需要进一步的技术开发 所以还不清楚美国核管会 美国 EPA 或南卡罗来纳州能否支持这一方法 11

13、2.3 结晶硅钛酸盐 CST 离子交换及玻璃固化法 结晶硅钛酸盐离子交换及玻璃固化法是用 CST 树脂去除盐溶液中的铯 铀 钚和锶用钛酸一钠除去 含铯的树脂及其它固体在玻璃固化工厂与硼硅酸盐玻璃融合 去污后的盐溶液送往盐石厂 这一方法的主要问题是如何在较高的放射性条件下扩大规模 离子交换介质在 SRS 废物中的稳定性 以及 DWPF 能否尝试并处理离子交换介质 11,12,17,21 NRC 还说 由于 CST 难以从铯中分离出来 也 将作为高放废物处理 他们也很关切在高浓钛存在下硼硅酸盐玻璃的稳定性 2.4 碱性溶剂萃取与玻璃固化法 碱性溶剂萃取与玻璃固化首先是将钛酸一钠 MST 加入到盐溶

14、液中 除去铀钚和锶 然后将 MST 处理过的溶液过滤 除去泥浆和 MST 固体 滤渣送到玻璃化工厂 澄清的盐溶液再 和 含有铯提取剂的有机溶剂接触 把放射性的铯从水溶液中萃取到有机相 萃取液再 和 酸接触除去铯 经洗涤净化后 去污的盐溶液 和带有微酸性的放射性铯溶液 被 分别运往盐石厂和 DWPF 厂 尽管在钚铀溶剂萃取工艺以及萃取试剂方面已经取得了多年的经验 但铯萃取剂以及 SRS HLW 在碱性条件下的工艺方面的经验却几乎没有 NRC 尤其关注的是开发一种对铯有高选择性的同时又具有化学 热力学和放射性稳定性的萃取剂 11 NRC和 DOE的两个大型报告中表示了对以上技术的保健和安全方面的关

15、注 11,12尽管每种技术只涉及单一的问题 但这些报告 尤其是 NRC 的报告 却指向了涉及安全 技术 审管以及经济的更 广泛 问题 关键在于 包括保健和安全方面 针对每种方案都没有足够数据作出可靠的结论 NRC 认为这四种技术都面临着重大难题 敦促 DOE 进一步针对小贮槽沉淀法 离子交换法和碱性萃取开展研究 积累足够数据直到能够对三者进行选择 对灌浆法 审管方面的问题在于含铯物质需就地贮存 NRC要求 DOE 和美国核管理委员会 美国 EPA 以及南卡罗来纳州 共同 商讨决定在其它三种方法都不可行的情况下 是否可以允许使用灌浆法 另外 NRC 注意到每个 HLW 贮槽中的物质很不相同 向

16、DOE 提出建议考虑是否有可能需要将四种技术结合起来并在比预想更小 的 规模上进行开发 11 最后 由于NRC 注意到研究 与 开发 工作 R&D 在设计和试验中需要密切注意工艺中可能发生的故障 而将安全风险和经济问题联系在一起 要求未来的 R&D 设施以及 DOE 都要尽27可能利用现有的场址设施进行研发 简言之 DOE 选择的技术方案必须满足安全和环境要求 同时 由于 HLW 管理经费已经占据了环境补救长期经费中的巨大份额 称为 冷战的欠账 Mortgage因此经费问题也十分重要 将补救经费称为 欠账 也表明了 DOE 已经认识到有责任对冷战期间美国发展核武器产生的危险物质进行补救 7,10,22 25 DOE 还明确 要 把 到2006 年每年的环境管理预算计划为 50 60 亿美元 在这期间 将开展大量的非 HLW污染的清污项目 从 2007 年一直到 2070 年的估算经费为